Метод расчета на сейсмостоикость металлоконструкции подъемно-транспортного оборудования атомных станций Левин, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность работы. Га зичтия атомной энерготики ставит дачу создания высоконадёжных атомшос станций (ЛО) повышений безопасности. Подъёмно-транспортное оборудование (ПТО) АС одит в системы безопасности атомных станций, как средство еспечения грузопотоков с источниками радиоактивности. В ча-носта, ПТО функционирующее в системах первого контура, яге— :ется оборудованием первой категории сейсмостойкости, т.е. ким в котором, после прохождения землетрясения, не допускана потеря работоспособности. Необходимые антисейсмические роириятил требуется: предусмотреть ещё при проектировании, я того чтобы оптимально запроектировать металлоконструкцию дъёмно-трансцортного оборудования, проектировщик должен на тематической или натурної: модоли хороию изучить её напря-нно-доформировшчое состояние. От качества расчёта во многом вИ'"ит насколько конструкция, будет удовлетворять как тробога-m прочности, так и.экономичности. Актуальность теми опредг-ется потребностью в создании метода, позволяющего расчитать ведение ПТО при сейсмическом воздействии, а также в разра-тке систеш нормирования таких расчётов, что является одним условий, определяющих надёжность функционирования атомних анщш в условиях сейсмических воздействий.

Исследования, полежошпш в основу диссертационной работа, полнены в соотпотстпии с программой "Лтоммаш" в Волгодонском лиале Новочеркасокого политехнического института.

Цель работы заключается в создании практического метода следований и расчёта пространственных несущих моталаоконст-

- г -

рукций «одаёмно-транспортного оборудования атомных станций ігри сейсмических воздействиях и сейсмических эффектах от у ра падающего самолёта о защитные оболочки атомных станций.

Общая методика исследования. Работа является теоретич ким и экспериментальным исследованием. В теоретических исс дованиях использованы вариационные метода строительной меэ ники, численные методы решения проблемы собственных чисел, линейно-спектральный метод теории сейсмостойкости, метода тематической статистики, метод» вычислительного зкслоримеї в расчётных исследованиях. В экспериментальных исследован) с применением разработанных методов и средств на крупномаї табной модели перегрузочной машины определялись её данами кио характеристики. Статистическая обработка эксперимента ннх исследований и расчётный исследования выполнялись на

Научная новизна диссертационной работы заключается: ~ в разработке метода расчета напряжённо-деформированного состояния металлоконструкций НТО атомних станций;

в разработке способа вычисления собственных частот прос нствеяных металлоконструкций с построением матриц жеста и масс конечного элемента вариационным методом на осної ории тонкостенных стержней;

в разработке и совершенствовании алгоритмов метода кот элементов для расчёта пространственных стержневых коне ций с учётом геометрической нелинейности;

в разработке с единых конечно-элементных позиций матем ческих и динамических моделей металлоконструкций ГГГО;

в проведении расчётных исследований сейсмостойкости ПТ изменениях эксплуатационных состояний с учётом влияния

тической нагрузки;

в разработке методики экспериментальных исследований сейсмостойкости металлоконструкций ПТО на крупномасштабной модели с использованием сейсмоплатформы.

Практическая ценность работы: в разработке и создании разветвлённого программного обеспечения расчётов на сейсмостойкость пространственных металлоконструкций доведённого до состояния, позволяющего применять его при решения задач в инженерной практико; в проведении исследований работоспособности ПТО АС после прохождения землетрясений но разработанных автором расчётных моделях;

в разработке рекомендаций по проектировании ПТО АС основанных на экспериментальных исследованиях крупномасштабной модели перегрузочной машины на сейсмоплатформо; в разработке нормативных требований и их методологического обеспечения.

Внедрение результатов работы. Результаты работы позволи-л выработать практические рекомендации по повышению сейсмос-эйкости перегрузочных машин для реакторов ВВЭР-ТООО (ПО "Ато-даш") и АСТ-500 (D5 ВИИИАМ); эксплуатационных кранов для ректоров ВВЭР-ЮОО (г/п 32G/I60f2x70 т), ВВЗР-440 (г/п 250 т) ) "Спбтггамзга", PBMK-I500 (г/п 125 т Запорожский энергомаш-звод); ВЮР-440 (г/п IG т) (ПО "Кран"); внутрнстшщиоиной яатформн (ПО "Атоммаш"), металлоконструкций манипуляторов энизационньтх камер реактора ВВ0Р-ТО00 (ПО "Атоммап"). Газви-т г работе принципы, методы и программное обеспечение рао-этоп попий в нормативные документы: РД 24.090. »3-87. "Нормі

_ 4 -

расчёта пространственных металлоконструкций грузоподъёмны кранов атомных станций на эксплуатационные и сейсмические воздействия" и РД 24.035.04-89. "Нормы раочёта на сейсмос кость подъёмно-транспортного оборудования атомных станций Автор выносит на защиту:

методику построения расчётных динамических моделей (РДО НТО, учитывающих пространственный характер работы колес тельной системы при сейсмических воздействиях;

математическую модель, описывающую колебания пространсі ных ст ржневых металлоконструкций различных систем ПТО присущих им эксплуатационных состояниях;

алгоритмы расчёта собственных частот пространственных і костенных стержневых систем;

алгоритмы вычисления внешних сейсмических сил и получен внутренних усилий при сейсмических воздействиях;

программу расчёта тонкостенных стержневых систем на сей ческие воздействия;

результаты расчётных исследований различных типов ПТО;

результаты анализа экспериментальных исследований сейсм тонкости перегрузочной машины на модели;

рекомендации по проектированию сейсмостойких ПТО АС.

Апробация работы. Основные положения и результаты ди сертзционной работы докладывались и обсуждались на I Всес ной конференции "Проблемы развития и совершенствования по ёмно-транспортной техники" (г. Красноярск, 24-26 мая 1988 на III Всесоюзном совещании-семинаре "Современное состояние основные направления исследований сейсмостойкости и прочн энергетического оборудования" (г. Фрунзе, 10-15 сентября

Э87 г.), на ХІУ Республиканской научно-технической конФерен-іи по проблемам строительства и машиностроения (г. Нальчик, Э87 г.), на отраслевой научно-технической конференции "Мето-i анализа брака при производстве изделий машиностроения" (г. иголочек, 1990 г.), на Всероссийской научно-технической жферекции "Математическое моделирование технологических юцессов обработки материалов давлением" (г. Пермь, 1990 г.), і П Всесоюзной неучно-технической конференции "Проблемы раз-ітия и совершенствования подъёмно-транспортной, складской їхники и технология" (г. Москва, 1990 г.). Основные положе-[я диссертационной работы обсуждались на кафедрах подъёмно->анспортного машиностроения (УПИ, г. Севрдловск, 1991 г.) и жкладной механики (ВМІЛИ, г. Волгодонск, 1991 г.). Практи-»ские результаты работы обсуждались на научно-технических >вотах ПО "Атоммаш" (г. Волгодонск, 1990 т.), ПО "Сибтяшаш" . Красноярск, 1990 г.) и В5 ШИНАМ (г. Волгодонск, 1989 г.).

Публикации. Основные результата работы изложены в 26 бликациях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введе-я, 6 глав, заключения, списка литературы из I ,'0 наименова-й, 162 страниц машинописного текста,50 иллюстраций, Ю блиц.

Во введении к диссертаций обоснована актуальность рас-атриваемой проблемы, определена цель работы, изложено её аткоэ содержание. приведены положения составляющие научн га визну работы и являющиеся предметом защиты.

В первой главе проанализированы существующие методы { чёта на сейсмостойкость ПТО АС. Рассматриваются основные <3 торы, определяющие специфику сейсмостойкости ПТО АС. Покаг необходимость создания расчётного метода исследования сейс тойкостл ПТО АО, который бы способствовал антисейсмическом проектированию ПТО АС, что обеспечивало радиационную и яде нуго безопасность обслуживающего персонала и окружающей ср« во время землетрясений.

Проведён краткий анализ работ Г.И. Белого, Д.В. Бычке В.З. Власова, Л.Н. Воробьёва, Г.В. Воронцова, В.Н. Горбуне А.Э. Зарифьяна, С.Н. Кана, Н.И. Карякина, И.В. Лакуткина, А.И. Стрельбицкой, А.А. Умаленого и других, посвященных ps работке методов расчёта металлоконструкций из тонкостенные стержней; на основании анализа делается вывод, что для точ ного расчёта конструкций из тонкостенных стержней наиболее приемлем деформационный расчёт основанный на методе конечн элементов (МКЭ).

Проанализированы данные о методах расчёта свободных к лебаний металлоконструкций ПТО, приведённые в работах Н.И. Беэухова, В.А. Бядермана, В.В. Болотина, М.И. Длугача, С.А Казака, Н.В. Корноухова, В.А. Постнова, А.Р. Ржаницина, В. Смирнова, Н.К. Синтко.я других и о методах и средствах исс ледовашя динамики металлоконструкций ПТО по работам И. И. Абрамовича, П.Е. Богуславского, В.И. Брауде, М.М. Гохберга А.И.Дукельского, А.А. Зарвцкого, 0.А. Казака, Б.С. Ковальс кого, Г.П. Ксюнина, П.З. Петухова, В.Ф. Сиротского и други Использование имеющихся методов не позволяет полностью уче специфику динамического поведения ПТО АС во время землетря

ий, а имеющиеся программено средства не обеспечивают требу-мую"точность расчётов и наглядное отображение результатов.

Проблема сейсмостойкости оборудования АС отображена в аботах il.M. Айзенберга, Ю.К. Амбриашвили, А.И. Ійрбрзпрз, Л. Кириллова, М. Коса, ПЛІ. ІГанасенко, С.В. Полякова. С.Г. ульмэна, В. Щербата, М. М.Онголько я других из анализа кото-их сделан вывод о необходимости совершенствования методов асчёта в связи ужесточением требований безопасности АС.

Накопленный опыт разработки систем нормирования расчетов ТО АС на сейсмические воздействие отображён во вновь разра-отанных с участием автора диссертации РД 24.090.83-87 и Д 24.035.04-89.

шполношп.'й анализ позволил уточнить задачи и определить этодику исследований.

Глава вторая. Проводити/tt п первой главе анализ методов зсчёта ПТО показал, что экономичном, удобным и перспективним зтодом исследования; івляотсч метод внчислителъиого эксдори-інта (МВЭ).

Предлагаемый в работе вариант МВЭ для исследование сейс-эстойкости ПТО АС базируется на МКЭ, теории тонкостенных гержней и линейно-спектральном методо (ЛСМ) теории ееіісмос-)йко ти. Построение математических моделеіі ПТО, отображающих гецпфику их конструкций, ггроводсттеч матричні/м методом. Для )строенич матриц жёсткости и масс конечного элемента (КО) в /до прямого тонкоотониого стержня применён вариационной ме->д. -Узловче сечения КО имеют семь степеней свобода: три лишних перемещения, два угла наклона, угол поворота и деплана-н. 1! соответствии с этим матриц» жёсткости и масс КО имеют

размерность 14x14. Используя известные по литературе выраж ния для потенциальной и кинетической энергий тонкостенного стержня и приняв в качестве узловых перемещений функции Эр та, автор получит деформационную матрицу жёсткости и матри масс тонкостенного стержня, причём в качестве единичных фу ций для линейных перемещений и углов наклона взяты общепри тые полиномы Эрмита, а для угла поворота и депланации прян следующие

ЭД- ?-3.*Л + *%* , Ы*)= - ?У ^(I

являющиеся предельным случаем точных решений дифференцияль уравнений. Используя известные выражения для потенциальной кинетической энергий деформации тонкостенного стержня, а т же известную процедуру МКЭ по получению матричных уравнени получены аналитические выражения для матриц жёсткости и ма КЭ в виде пространственного тонкостенного стержня. При пос роении матриц .жёсткости и масс приняты и обоснованы допуще линеаризующие дифференциальные зависимости в выражениях да кинетической и потенциальной энергий деформации. При постр нии матриц применён мэтод Жордановдх исключений, позволиш объединять в систему КЭ с различными способами закрепления в узлах. № рис. 1-3 приводятся аналитические выражения кс понент матрицы жёсткости для КЭ с жёстко заделанными концє а на рис. 4-6 компоненты матрицы масс.

Третья глава посвящена формированию в рамках МКЭ вект статической и сейсмической нагрузок действующей на узлы сі невой системы.

. Статическая нагрузка формируется из заданных сосредот

с*>

'^!

ч I

^ -І':' -

'-ііК'г

о

'Г*"*!

.-¹ =>-

-N'

Чз;

і ^

С^; ^. *>

Сі -v.

і. -* -L '

1 в].

CQ

hi ^ -. Ь; v, ^й

ail а

^{J -J ^}

V3/ >. "-—

*S

3 .)

5^і»;

«Nil

_^i^a

о

о

о

ч 4-М

*~>|Н?<- to

«1

5!^

о

о

- Q

¹ -,^

,-5 ~

v ,

О

^w Ті

и*³

^І*-»..

Гг, ">

О

О

со

гм 'о

Ос

«=:

_{Рас. 2.}

3!

«Vj

*--»,l ПІР

! И

і -із ..-

.Г>-

0:!С «- -«. і, to! <п" "Q^

+- -4^ "*-

^

¹ с\|] ; ' '»*

4«

^ ?

yc-12

.-1

-і

"'C

r-

!^l of

«Nip

Ч- ЛМ

*>к,: о'о.і ^

"1 * ^ til I Г-v,

I "M . ^ >< м

I "Ззіьс

"С.

=3-.

«M

+ мі

^

о

,1^ . -*Lvl^ J,'"

*r??s

І^5 hoi і

о

>,l < -~

о

+ ,"5_>i «^

JSk

О

о

О

4>,r. «.Ml

Q?

о

f-i ,^

О

о

P .-. і ,cS<

^/ji'«m-*-

сП

X.

Pitc. 3.

-іг-

*Ч»

Icy,

CD

«1

-IS

-О

^ CI

- . a,

«4j -Г-Ч

'l*\J

CD

с?

4-j

«4

v-1'Л

4- JL,

«VJ -»- Q 4J

Q>

а'

«4J

cvn!

О

*-|Э

o⁴

4 s

О

Оэ

C3

о

+ 'A

"- !П ^Т

о

-.⁴

їм 'і

3|$

і

f-ST'

О.ч:

о

CD

CIS

4o

_{Рис A}

-"С

+

Q

Q>

о*¹

:P

-1 ^

-In-

^MK

MI

9 ^

|э

4> -

-1-М- (

о

О

I ^1

о

O

^

V

«oS

о

О

О

о

Q-

О

О

о

CD

Cr»

-x?

Q-,

_{Рис. 5.}

~\h-

I'D

^ Рис. 6.

їх внешних сил и моментов, а также приведённых к узловым определённых по длине КУ нагрузок от действия собственного эса, внешней заданной и температурной нагрузки- Используя )Отно!иенио МКЭ получен вектор приведённой к узлам распредо-інной нагрузки для пространственного тонкостенного прямоли-эйного стержня в местной системе координат . ІІЯИЯНИЄ >аничных условий на вектор внешней нагрузки учтено методом эрданорых исключений. Незначительные отклонения от прямоли-?йности стержней в предлагаемом методе учтено приведением совершенств к фактору дополнительной внешней нагрузки. Ки-зматическое воздействие на систему учитывается коррекцией жтора внешней нагрузки и матрицы жёсткости всей систеки.

їаочетша сейсмические пягрузки определяются в соответ-гоии с ЛС?Л. С этой целью вычисляется спектр собственных чао-)т (СЧ) конструкции и для каждой СЧ определяется вектор со-зтвеїпшх форм (Сї>) с помощью метода іікоби. Применение в ме-ще Дкоби матриц жёсткости и масс КЭ в виде тонкостенного ?ержня позволило уточнить расчёт спектра СЧ, особенно для 'к из стержней открытого профиля. Используя вычисленные зна-іния СЧ и СФ, а также принимая модель перемещения грунта в іде суммарного действия ряда затухающих гармоник, по обще-нгаятым правилам вычисляются сейсмические силы генерируемые КЭ расчётной модели. Для каждой ОФ решается система уравно-йі квазистатического расчёта из решения котороГг определяются іобщбннне внутренние усилия, возникающие в КЗ для каждой СФ ілебаний. Результирующие внутренние усилия от сейсмического 'Здействия определяются путём среднеквадратичного суммирова-я но всем учитываемым С^;Ь колебаний. В случае определения СЧ

расположенных близко друг к другу, суммирование производит алгебрагически. Определённые таким образом внутренние уси; в КЭ от сейсмического воздействия, добавляются к внутреннк усилиям полученным от статической эксплуатационной нагрузв что позволяет учесть наихудшео нагружение при сейсмическом воздействии. Напряжения в сечениях КЭ вычисляются по четыр членной формуле В.3. Власова. Наряду с определением напряга но-дсформированного состояния расчётной модели, оцениваете устойчивость системы путём анализа её деформационной матри жесткости. Формируется матричное уравнение характеризующее условие потери устойчивости конструкции. Формы потери устс чивости определяются аналогично формам собственных колебан как решение проблемы собственных значений деформационной и рицы жёсткости. В случав появления отрицательных собственн значений делается вывод о потере устойчивости конструкцией приложенного воздействия.

Четвёртая глава посвящена разработке программыTO/VSТ расчёта напряжённо-деформированного состояния металлоконст ций ОТО от воздействия статической и сейсмической нагрузки также оденка её устойчивости. Программа построена по блочн модульному принципу и состочг из 73 подпрограмм. Елок-схем программы приведена на рис. V. Вводимые данные организуете в виде таблиц. Имеются средства для компактной записи инфо ций о регулярішх частях системи. Информация вводится виде піти групп таблиц: геометрическая информация о координатах узлов и условиях их закрепления; жесгкостные и инерционные характеристики КЭ, а также различные виды статической нагр ки и особенности КЭ; распределённая статическая нагрузка н

-І7-

6jok - с гема программы TQNST