低压开关柜抗震分析

何文威++何嵘++张甬++黄文军

摘 要：使用ANSYS Workbench对安装于中国辽宁红沿河地区的某型低压开关柜进行抗震仿真分析，根据核电行业相关标准要求，采用振型分解反应谱法，计算出柜体结构在8度地震作用下的位移、速度、加速度响应及整体的等效应力分布情况，评估当前柜体结构的抗震效果，并找出当前设计结构强度的薄弱点，为后续的柜体结构改进提供理论数据以及改进方向。

关键词：ANSYS Workbench；振型分解反应谱法；抗震分析

中图分类号：TH122 文献标识码：A

0.引言

安全是核电的生命线，核电机组的安全运行离不开安全可靠的电气设备。地震是最常见、危害最大的自然灾害，它可能导致核电厂各物项同时失效，因此核电厂中所有抗震I类设备需要具备足够的抗震能力以满足其在地震期间或之后能执行其安全功能。文中使用仿真软件ANSYS Workbench模拟设备的地震响应动力学特性，评估设备在地震力作用下的安全性。

1.柜体结构抗震分析

文中分析对象为安装于红沿河地区室内的开关柜。使用GB13625标准中规定的动态分析法，计算沿用GB50260标准中的反应谱分析法。根据HAF J0053与GB13625规定的要求设定边界条件。开关柜结构可理解为复杂钢建筑结构，假设结构为线弹性多自由度体系，所以采用振型分解反应谱法进行计算。

（1）前处理

框架断路器本身结构复杂，因此分析时采用等重、等体积立方体质量块替代。开关柜骨架计算时将其视为板壳结构，采用抽取中间面的方式建立CAE模型，如图1所示。

模型中开关柜骨架材料为热镀锌板，母线材料为铜合金，其材料参数由表1给出。为保证计算精度网格均划分为四边形单元，网格大小均设定为5mm（排除载荷），局部应力梯度较大的区域采用高阶单元进行划分。

（2）静力分析

由于重力的作用，开关柜在承载重力载荷时结构本身的刚度将发生改变，这会改变开关柜本身的固有频率，所以开关柜地震谱分析的最终结果需要与结构本身的静力载荷进行叠加。因此在进行反应谱分析前需要进行静力分析。约束底部与地面的连接处（14个面），添加方向为-Z（竖直方向）轴的重力加速度。

（3）模态分析

模态是指机械结构的固有振动特性，作为反应谱分析的基础，可从模态分析的结果能得到结构本身的固有频率、振型及各方向的质量参与系数等。确定模型的约束后，对开关柜结构进行模态分析，求解前50阶固有频率。

从模态分析的结果中可以得出以下结论：

（a）X轴向与Y轴向（水平方向）总的质量参与系分别为92.15%与89.63%，满足GB50260标准中采用振型分解反应谱法的规定。Z轴向（竖直方向）在前50阶模态分析中未出现明显的共振频率，因此到后续的反应谱合成中将忽略Z轴向（竖直方向）产生的影响。

（b）结构的第一平动周期为13Hz、第一扭转周期为34Hz，相邻振型周期比为0.383，小于GB50260中规定的0.9，因此后续谱分析选用SRSS合成法。

（4）响应普分析

譜分析就是将模态分析结果（各阶振型）与已知谱（位移谱；速度谱；加速度谱）合成，求解出结构最大响应值的分析方法。图2为设备所在建筑的设计楼层反应谱，安全停堆地震（SSE）幅值为运行基准地震（OBE）的两倍，谱曲线选取临界阻尼5%对应的曲线，计算时选择条件更为苛刻的SSE地震作为激励值。由模态分析的结论已明确将忽略Z轴向（竖直方向）产生的影响，因此激励方向仅考虑X轴向与Y轴向（水平方向）。

（5）载荷合成及结果

开关柜在地震的作用下需要承受地面加速度造成的动力响应以及结构在静力载荷作用下受到的力。因此需要组合谱分析与静力分析的结果，如图3所示。

（a）谱分析结果为最大加速度响应为36.1m/s2，最大速度响应为0.248m/s。

（b）谱分析与静力分析合成后，承重梁最大等效应力为207MPa，结构最大等效应力为242MPa，位于左后侧板支脚，开关柜的最大位移出现在柜顶区域，位移大小为2.9mm。

2.结论

（a）在设计时应充分考虑梁的数量以及布局，避免承重梁出现应力集中现象。开关柜在受到SSE地震时，所有承重梁中受到的最大等效应力为207MPa，而热镀锌板屈服强度321MPa，所以安全因数n=σs/σr4=321/207=1.55，安全裕度为55%。

（b）提高开关柜自身的刚度，能有效地减小地震载荷作用下的惯性力。整体结构受到的最大等效应力为242MPa，此处安全因数n=σs/σr4=321/207=1.33，安全裕度为33%。

开关柜主体结构受到SSE地震时，结构中各构件均处于弹性变形范围内，主体结构不会出现垮塌、变形过大或永久变形等问题，结构强度可靠稳定，能满足设备在特定场所的应用。

参考文献

[1]NB/T 20227-2013，核电厂安全级成套开关设备鉴定[S].

[2]NB/T 20214-2013，核电厂安全级低压配电盘鉴定规程[S].

[3]GB 50260-2013，电力设施抗震设计规范[S].endprint