【CAE案例】核電站中起重機的地震行為分析
01 研究背景
核電站中不同建筑內都有高架起重機，用于起吊和搬運重物。它們在地震后必須保持機動性，并且需要避免倒塌損壞附近的設備。因此主要的起重系統保護被認為是安全和利益保障的重要因素，也是核電廠建筑物地震分析中的重要內容。
核島事故發生后，法國啟動了核電廠地震相關的重新評估，新的地震譜 SND被用于核電站系統、結構和組件的驗證以及尺寸的確定。SND可由兩種方式定義：
1.5倍核電站增強安全地震譜的包絡。
以概率方式定義的被研究站點的地震譜包絡，基準為20000年一遇的地震級別。
此研究旨在確認橋式起重機在SND級別地震下的行為是合理的。
02 主要問題
當前，相關計算通過頻譜模態分析定時進行，在分析過程中使用的假設忽略了與摩擦和剛體運動有關的耗散，這導致了很大的保守性：施加在各種結構上的載荷被高估，并且基于此提出了復雜而且成本極高的加固解決方案。對于某些起重機，也基于物理基礎進行了非線性計算，但是一方面大量使用這一類計算會導致浪費計算時間；另一方面，剛體模態的出現導致使用了正比于剛度的瑞利阻尼，進而導致對低頻模態的衰減非常弱。
為了改進這些對特定起重機的研究，開發了一種使用通用結構仿真軟件進行動力學非線性瞬態計算的方法。這種方法考慮了滾輪在軌道上的摩擦、滾動和抬起，也考慮了內力限制系統的局部可塑性。該方法的非線性計算在由起重機特征模態組成的模態基礎上進行，并增加了與結構間接觸相關的靜力學模態。這增強了滾輪滾動的作用，同時極大地減小了傳遞到橋和托架的應力以及橋的變形。
03 振動臺實驗
2016年，法國原子能和替代能源委員會（CEA）、法國核安全與輻射防護研究院（IRSN）和法國電力公司（EDF）在振動臺上進行了相關測試，以研究橋式起重機的抗震性能。這些測試使用1/5比例的橋式起重機模型，其靈感來自菲尼克斯核電廠地裝卸起重器（每22米100噸）。該模型包括橋體及其支架，還包括供橋體在其上移動的運行梁。該模型不僅復現了核電廠中高架起重機的幾何特性，也復現了材料和接觸點的特征。該模型被安放在CEA位于Saclay的三軸振動臺上，以施加相應的地震激勵。
實驗過程中測量模型上各個點的加速度，以及橋體和支架上的局部運動。這些測量結果輔以立體視覺測量值，這些測量值記錄了模型上不同位置的三維位移。最后，在橋體滑動軌道和振動臺間插入六軸力傳感器，以記錄在橋體及其支撐結構之間界面處的力。
在施加動態應力之前，進行了不同的特征測試以明確模型中各元素的行為，及模型整體的行為。這些特征測試基于白噪聲及力錘激勵完成。
接著，不同的動力學載荷被施加在振動臺上：
首先施加基本荷載，振動臺快速單向移動。這些測試在短時間內突出顯示摩擦力的作用，據此可以重新調整接觸點的參數設置。
接著將雙軸、三軸的地震信號施加在振動臺上。這些信號為柏崎刈羽核電站在2007年7月的越沖地震中記錄，它們記錄的是汽輪機廠房在地震中的主要碰撞。實驗過程中調整了加速度計以考慮響應譜比例因子，也為了使主頻率與模型的頻率相接近。
04 新型計算方法驗證
這些實驗測試的數值模擬通過通用結構仿真軟件完成：首先進行實驗模型的建立以及網格劃分，接著對數字模型進行調整，使得數字模型的動力學行為與實驗模型接近。
仿真結果表明：仿真和實驗測試中橋體和支架的最大位移有著良好的對應關系。但依然無法確定地震后各單元的最終位置，只能比較最大位移。但是，盡管忽略了某些參數（例如接觸剛度），但仿真結果中的沖擊的能量回復系數，支架的加速度以及界面處的作用力均能與實驗值相對應。
圖3. 數值仿真模型的垂直振動模態
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