《阀门》杂志2012年01期第二部分

表1
模态 频率( Hz ) 1 40. 123
G f ( f) — — —输入( 激励) 信号 f( t) 的自功率谱 G x ( f) — — —输出( 响应) 信号 x ( t ) 的自功率谱 G fx ( f) — — —输入( 激励 ) 信 号 f ( t ) 和 输 出 ( 响 应) 信号 x ( t ) 的互功率谱 相干函数的 值总 是 在 0 ～ 1 之 间。 当 它 接 近 1 时， 说明 f( t) 和 x ( t ) 间 有 良 好的 因 果 关 系; 当 它 明 ， 显小于 1 时， 说明 信 号 受 到 干 扰 噪声 的“污染 ” 或 者系统具有非线性特性。传递函数幅值曲线的峰值 2 或其虚部曲线的极值［ 在 γ ( f) 接 近 1 时］ 就 是 系统 的固有频率。 3. 2 基频测定试验 阀门安装在管道上，且管道在地震响应中对阀 门产生一定的放大作用，因此常采用正弦扫频波作 为阀门的 地 震输 入， 进 行 阀门 基 频 测 定 试 验。 按 ASM E QM E － 1 QVP － 7341. 1 规 定， 采 用 振 动 台 法对核级闸阀的基频进行测定。 ( 1 ) 试验前准备 根据阀门整机的质量、外形尺寸、地震载荷等 要求选择基频测试振动台的容量。振动台能承受阀 门和辅助试验装置的质量，台面的尺寸应大于设备 的安装面积。振动台应有足够宽的工作频率范围和 良好的低频特性，其工作频 率应 包括 地 震频 率 0 ～ 33Hz 范围。由振 动 台 计 算 机 系统 生成 符 合 要求的 人工时程曲线，并在台面产生模拟地震动，使设备 的响应达到要求的反应加速度值。振动台 在 X 、 Y、 Z 轴有 6 个自由度的振动 方 向。建 议 试 验 用阀门 端 部为法兰连 接， 使 试 验 时 阀门 与 辅助 支架 便 于 连 接。若阀门为焊接连接，在所有试验完成后也可加 工成焊接端。 ASM E QM E － 1 要求将阀门装置按正常安装点 ( 通常是阀体端部) 刚性 安装 在一 个 能在 单 一 方 向 上提供纯 正 弦 振 动 的 振 动 台 上。 试 验 系统 ( 图 1 ) 主要由压力表、试验软管、试压泵、系统阀、泄压阀 和振动试验台等构成。阀门和振动台通过固定支架连
Modal analysis and test qualification of fundamental frequency for nuclear safetyrelated gate valve
YANG Xiaojun1 ， ZHANG Xiheng 1 ， YE Xuqiang 2
( 1． Lanzhou University of Technology ， Lanzhou 730050 ， China; 2． Shenjiang Valve Co． ， LTD ， Wenzhou 325605 ， China)
Abstract : Introduced fundamental frequency of nuclear safetyrelated gate valve modal analysis and test qualification of significance． It w as described the basic theory and analysis of modal analysis． In accordance w ith ASM E QM E1 test requirements to detect nuclear safetyrelated gate valve of the fundamental frequency ， w hich verified the modal analysis method and the results are correct． Key words: nuclear valve; gate valve; fundamental frequency ; modal analysis; Seismic qualification 1 概述 方法， 并用于验证分析法采用的数学模型的合理性或 对数学模型进行修正。本文按 ASME QME － 1 要求， 对 核级闸阀的基频进行理论分析计算和试验测定。 2 分析法
作者简介: 杨小军( 1974 － ) ， 男， 四川岳池人， 工程硕士研究生， 主要从事阀门新产品研发。
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阀
门
2012 年第 1 期
部件的振动特 性， 即 结构 的 固 有 频 率 和 振 型。 模 态 分析求解的基本方程为 ［ K］ { Φ i } = ω i 2［ M］ { Φi } K］ — — —刚度矩阵 式中 ［ ［ M］ — — —质量矩阵 { Φi } — — —第 i 阶模态的振型向量( 特征向量) — —第 i 阶模态的固有频率( ωi 是特征值) ωi — 2. 2 有限元模型建立
分析法要求设备能合理地离散化为理想的数学 模型， 并 准确 地 反映 其 动 力 特 性 ( 如 频 率、 阻 尼、 振 型等) 。通 过 适 用 和 有 效 的计 算 机 程 序分析， 其动 力分析结果应与可 接 受 的 判 据 进 行比 较， 并 应在 判 据要求的范围 内。 根据 阀门 装置 的 结构 特点， 通常 采用多质点的集中质量模型或有限元模型对阀门装 置进行模拟， 并采 用 经 国 家 核 安 全 局 认 可的 国 际公 认的大型有限元 计 算 程 序 ( 如 ANSYS ) 进 行 模 态分 析。一般地震频率小于 33Hz， 阀门的 第 1 阶 固 有 频 率( 基频) 必须大于 33Hz， 才能够保证核电阀门的刚 性要求。 2. 1 模态分析基础 ANSYS 的模 态分析 用于 确 定 设计 结构 或机 器
2
当信 号 f ( t ) 和 x ( t ) 分 别为 某 系统的 输 入 ( 激励) 和输出 ( 响应) 信号时， 动 态 信 号 分析 仪 求得系统的传递函数为 H ( f) =
2 γ ( f) =
( 1)
G fx ( f) G f ( f) | G fx ( f) | 2 G f ( f ) ·G x ( f )
阀门的固有频率
2 43. 362 3 104. 371
从模态分析可知，所设计的核级闸阀的第一阶 基频为 40. 123Hz ，大于截 断 频 率 33Hz ， 因 此 阀门 整体结构的刚度足够大，认为是刚性结构，可以采 用等效静力法进行抗震计算。 3 试验法测定阀门基频 ASM E QM E － 1 中 测 定 阀门 基 频 的 试 验法 要 求，设备固定在可产生与预期自然地震相同的模拟 振动的平台上，在对影响设备内部机能的各重要位 置，或结构模态特性指示良好的位置，采用工具进 行响应测量。然后，对设备施加适当激励，对响应 进行记录。 3. 1 基频测定的基本原理
介绍了核级闸阀基频模态分析和试验测 定 意义， 阐 述了核 级闸 阀基 频模 态 分析 的基 本 并利用 ASM E QM E － 1 要求， 对核级闸阀的基 频进行试验测 定， 验证 了 模 态 分析 理论和分析方法， 摘要 方法和结果的正确性。
关键词 核工业用阀; 闸阀; 基频; 模态分析; 抗震鉴定 文献标识码: A 中图分类号: TH134
2012 年第 1 期 5855 ( 2012 ) 01 0011 03 文章编号: 1002 -
阀
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
门
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核级 闸 阀 基频模态 分 析和试验测定
1 1 2 杨小军 ， 张希恒 ， 叶旭强
( 1. 兰州理工大学， 甘肃 兰州 730050 ; 2. 慎江阀门有限公司， 浙江 温州 325605 )
( 2) ( 3)
式中
H ( f) — — —频响函数
2 — —相干函数 γ ( f) —
有限元计算模型应能准确的按照阀门实际结构 建立。由于核级闸阀结构复杂， 采用 CAD 三维 软 件 建立几何模型后， 导入 ANSYS 生成有限元 模 型。 并 对计算结果影响较小而对计算收敛速度影响较大的 部分倒角、 棱 角、 尖 角 等 进 行 简化。 模 型 采 用 ANSYS 程 序 中 SOLID 92 实体单 元 进 行 有 限元离 散。 考虑阀门安装情况 的 相 似 性， 将 阀门的 两 端 法兰 采 用固定边界全 约 束。 使用 智 能 网格 划 分 工具， 根据 阀门模型的形状、 尺 寸 和 设 置 的 精 度 自 动 选择合 适 的网格密度进行划分。 建立核级闸阀有限元模型采用的坐标系为沿阀 门流道中心线方向为 X 轴 方 向， 垂直 X 轴的水平方 向为 Y 轴方向， 垂 直 于 X － Y 平 面为 Z 轴 方 向。 分 析载荷为内压、 自重、 地震和接管载荷等。 2. 3 模型的模态分析 根据模态提取的最高频率至少为分析频率两倍 的原 则 ， 在 ANSYS 程序设定频率范围内提取 阀门 分 Y 和 Z 轴向各阶频率中的最低固 有 频 率 ( 表 别在 X 、 1) 。
当 物 体 在 特定 方 向 受 到变 形 然 后 松 开， 由其 自 身物理特性 ( 质 量和 刚 度 ) 引 起 的 物 体 振 动 频 率 称 为基频。当地震输入的频率刚好使阀门装置的惯性 力与弹簧恢复力完全 抵消 时， 阀门 装置 就 会产 生 谐 振。为了保证核电 阀门阀 体 和 阀 盖 颈 部、 中 法兰螺 栓等危险部位的强 度 和 刚 度要求， 必须 避免 产 生 谐 振， 即要求阀门的 基 频 大 于 地 震频 率。 因 此 能 动 阀 门抗震鉴定中基频的分析和测定是必不可少的一项 内容， 同时核电阀门的 基 频 是 确 定 抗 震 鉴 定时采 用 静力法或动态法的 基 础， 因 此 对阀门的 基 频 确 定 就 显得非常重要。 ASME QME － 1 和 HAF J0053 均 规 定 核电 能 动 阀门的鉴定方法有试验法、 分析法、 分析与试验相结 合法等 3 种方法。分析法广泛用于由样机阀门鉴 定 和结构上 类 似 于 样 机 阀门的 待 定 阀门的 扩 展 鉴 定 中， 试验法 是 样 机 阀门在 第 一次 鉴 定时采用的主要