取水口结构的接触有限元分析-论文.pdf

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1、第4O卷第24期山西建筑Vo1．40NO．24．42·2014年8月SHANXIARCHITECTUREAug．2014文章编号：1009-6825(2014)24—0042—03取水口结构的接触有限元分析王芳刘敏(中国核电工程有限公司，北京100840)摘要：采用不同材料交界面的接触单元，对结构进行三维有限元建模，并进行了动力反应谱分析，得出了该结构的自振特性及最不利工况的位移和内力，通过工程实施的验证，得到的结果完全能满足结构的功能耍求。关键词：核电厂，谱分析，接触单元中图分类号：TU311文献标识码：A1概述3三维有限元建模核电厂机组一般采用以海水为冷却水的直流供水系统，冷却3．

2、1模型建立水及安全用水通过取水工程进入泵房。根据《核电厂抗震设计规本文以SEC和CRF钢管及外包的钢筋混凝土为研究对象建范》，取水VI结构为核安全I类物项，应同时采用运行安全地震震立有限元计算模型。有限元模型图见图1和图2。动和极限安全地震震动进行抗震设计。某核电厂取水口结构位于取水工程端头，一头与输水隧道相连，一头伸入海里。该位置原貌为海岸边基岩，取水VI施工前需先将整个取水头部范围内的基岩全部清除，然后安放管道和喇叭口，就位后用混凝土回填，直至恢复海岸线原来面貌。它由取水隧洞延伸段(SEC接口)和进水口(喇叭口和海工混凝土)组成。SEC和CRF用水钢管分开设置，一端与钢筋混凝土输水

3、隧道相连，一端与取水头部钢制进水喇叭口相连。SEC用水钢管管内图1有限元模型图图2有限元(钢结构部分被混凝土包裹)模型图(钢结构部分)径1．2m，钢管壁厚10mm；CRF用水钢管管内径4．2m，壁厚SEC和CRF钢管以及喇叭口用壳单元Shell63模拟，弹性模20mm。钢管材料均采用耐海水腐蚀低合金钢(10CrMoAL)。SEC量2．13×10“N／m，泊松比0．3，回填C30素混凝土用实体单元和CRF用水钢管和喇叭口用素混凝土回填(顶部有配筋)，直至恢复海岸线原来的面貌。Solid45模拟。弹性模量3×10N／m，泊松比0．2。结构的侧面当取水口结构正常运行时，钢管承担内水压力。混凝

4、土结构和底部与岩体相互作用用弹簧单元Combin14模拟，结构的上表和钢管之间的接触作用对结构受荷之后的接触状态和应力分布面为混凝土恢复的山体表面。三维有限元模型中有958个Shell有直接的影响。本文采用有限元计算软件ANSYS建立三维接触单元，30781个Solid45单元，3507个Combinl4单元。节点数共单元模型，进行动力反应谱分析，为结构设计提供了可靠的数值96421个。依据。模型中使用接触单元Conta173和目标单元Targel70定义3D接触对。钢管和混凝土之间没有考虑摩擦，即假定为完全光滑2接触单元状态，其切向刚度为零，其法向刚度也为无穷大，实际情况应为介接触问

5、题是一种高度非线性行为，有两种基本类型：刚体一于共节点模型和考虑接触模型之间的状态。柔体的接触，柔体一柔体的接触。ANSYS软件支持三种接触方3．2荷载式：点一点、点一面和面一面的接触。本文对钢管和外围混凝土之间的接触问题采用面一面接触方式。接触单元是覆盖在分析本取水口侧向按原来的山体形状修复，无外露段，所以波浪模型接触面之上的一层单元。用“目标面”和“接触面”形成“接力不起作用。计算中考虑的荷载有：1)结构自重；2)随海水潮位触对”，程序通过相同的实常数号来识别接触对。目标面分别用变化而变化的上部水压力；3)内部水压力，包括CRF钢管和喇叭Targe169和Targe170来模拟，接

6、触面分别用Conta171，Conta172，口、SEC钢管分别受到的最大工作压力和最小工作压力；4)地震Conta173，Conta174来模拟。作用，包括运行安全地震动产生的地震作用SL一1(结构阻尼比取所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间的穿透0．05)和极限安全地震动产生的地震作用SL-2(结构阻尼比取量的大小取决于接触刚度，过大的接触刚度可能会引起收敛困0．07)。难，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透4,N可以接受，地震作用是作为荷载输入的，对于地震作用的计算，分析中但同时又应该让接触刚度足够小以不会引起总刚矩阵的病态问没有采用时程分析直接动力法，而是采用了较

7、为便捷的振型分解题而保证收敛性。反应谱分析方法。对极限安全地震震动SL-2：接触单元设置的步骤为：1)定义面一面接触使用的单元类以0．15g标定的RG1．60水平加速度反应谱作为厂址水平向型；2)指定刚性目标面并检查目标面的方向；3)定义柔性接触面设计地震动反应谱，如表1所示；以0．10g标定的RG1．60水平加并检查接触的方向是否指向目标面；4)设定关键字和实常数，选速度反应谱作为厂址竖直向设计地震动反应谱，如表2所示。取择接触算法和摩擦类型