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利用PIPESTRESS软件的常见支架力学建模分析论文
引言
2011 年 3 月 11 日，日本因地震、海啸发生了福岛核事故。日本福岛核事故给核电业界造成了巨大和深远的影响。我国政府在日本福岛事故发生后第 5 天对国内核电发展做出四项决定(称“国四条”)，要求对核设施进行全面检查，严格审批核电新项目，抓紧编制核安全规划，调整完善核电中长期发展规划，在核安全规划批准前，暂停审批核电项目。这一事故直到 4 年后的今天，仍然对核电业界产生着深远的影响。
从国家战略角度，当时我们国家的核电投运装机容量只有大约 1000 万 k W，然而在技术路线上已经是百花齐放，有引进法国的 M310、加拿大的 CANDU 重水堆、田湾的 VVER，以及基于 M310 改进的 CPR1000 机型。在建的还有引进的 AP1000 和 EPR 三代技术;自主研发的有国家核电的 CAP1400 技术、中广核的 ACPR1000+技术和中核的 ACP1000 技术。技术型号过多已经影响到了我国核电产业的快速发展，因此国家层面希望尽量能够统一到一两种技术路线的发展路径上来，形成产业链优势和规模优势，减少资源浪费，降低成本。从技术角度，ACPR1000+技术和 ACP1000 技术有着类似的设计理念和技术基础，部分设计参数十分接近，两者融合起来的技术难度相对较低，技术上是可行的。于是，中广核确定将ACPR1000+技术和 ACP1000 技术进行融合，融合后的技术以“三个实体隔离的安全系列”和“177 堆芯”为主要技术特征，名称确定为“华龙一号”。
“华龙一号”项目主要应用力学 PIPESTRESS 软件进行力学分析计算。
1 PIPESTRESS软件和常用支架
1.1 PIPESTRESS 软件简介及主要功能
PIPESTRESS 软件是被国际广泛使用的核级管道力学分析软件，目前广泛应用于美国、法国、中国以及日本。其主要功能如下：完善的管道模型以及计算结果的前后处理功能;核级管道结构静力学分析，包括结构自重、热膨胀、风载荷、雪载荷、沉降以及预应力分析等;核级管道结构反应谱分析;核级管道时程分析，可进行力时程或加速度时程分析;核级管道热分层分析;核级管道疲劳分析。几乎包含了目前核电行业常用的标准规范，例如ASME、RCCM、KTA、EN13480 等。
1.2 管道支架定义及类型
管道支架(简称为支架)是支撑管道的一种结构件，又被称作管道支座、管部等。它作为管道的支撑结构，根据管道的运转性能和布置要求，管架分成固定和活动两种。设置固定点的地方成为固定支架，这种管架与管道之间不能发生相对位移，而且，固定管架受力后的变形与管道补偿器的变形值相比，应当很小，因为管架要具有足够的刚度。设置中间支撑的地方采用活动管架，管道与管架之间允许产生相对位移，不约束管道的热变形。我们根据支架约束功能的不同，把支架划分为刚性支架、弹吊支架、阻尼器支架等。
在使用 PIPESTRESS 进行管道计算时，管道上设置了支架的位置需要施加约束。本文对常用的支架(如刚性支架、弹吊、阻尼器等)该如何在程序中实现约束管道的功能进行了总结。
2 如何在PIPESTRESS软件中对常用支架进行约束
在使用 PIPRSTRESS 计算时，要想正确施加约束，需要理解以下两方面的内容：1) 深刻理解 PIPESTRESS 中对局部坐标系的定义;2) 注意支架的转角情况和支架的约束所处的坐标系。
2.1 PIPESTRESS 的局部坐标系定义
要保证 PIPESTRESS 计算时支架约束方向的正确性 ， 首 先 要 深 刻 理 解PIPESTRESS 对单元的局部坐标系的定义。相对于总体坐标系(XYZ)，局部坐标系定义为 UVW。直管单元、刚性单元、大小头的局部坐标遵守如下规则：1)W 轴是单元的轴向;2)如果 W 轴与总体坐标系的 Y 轴平行，则 U 轴与总体坐标系的X 轴一致，V 轴由右手法则确定;3)如果 W 轴与总体坐标系的 Y 轴不平行，则 V 轴在 WY 平 面 内 垂 直 于 W轴，方向与 Y 轴方向一致，U轴由右手法则确定。
2.2 计算中的常用约束
PIPESTRESS 提 供 了10 种约束定义方法，我们常用的有：
1)固定点(ANCH/NOZZ/CONN)：ANCH PT=1 EW=1LO=0 LV=2。ANCH 卡片是定义锚固点，与 ANCH 命令类似的命令还有 NOZZ、CONN。卡片中各符号的含义：PT 为节点号;EW 为端点焊缝类型;LV 为该约束处谱分析时选用的反应谱编号，与 SPEC 中的 LV 相对应;LO 为定义约束的参考坐标系;LO=0 表示约束采用的是全局坐标系;LO=1 表示约束采用的是与相邻单元的局部坐标系相同的坐标系。
KX/KY/KZ/MX/MY/MZ 表示约束方向的刚度，默认值 如下：Kx=Ky=Kz=1.75 ×107k N/mm，Mx=My=Mz=1.13 ×109k N·m/rad。
2) 多向约束(MULR)：MULR PT=1 LO=0 LV=2 DX=1DY=1。MULR 卡片是定义多向约束。卡片中各符号的含义：PT 为节点号;LV 为该约束处谱分析时选用的反应谱编号，与 SPEC 中的 LV 相对应;LO 为定义约束的参考坐标系;LO=0 表示约束采用的是全局坐标系;LO=1 表示约束采用的是与相邻单元的局部坐标系相同的坐标系。
DX/DY/DZ/RX/RY/RZ 表示刚性约束方向，等于 1 表示这个方向被约束。
3 结语
华龙一号项目作为我国自主设计的三代核能发电技术，既体现了我们自主设计的能力，也实现了抗震能力的提升，提高了核电站的安全性。支架作为管道抗震能力的承载者，其力学分析意义重大。作为一名严谨的力学分析人员，需要深刻理解 PIPESTRESS 中对局部坐标系的定义并准确分析每一支架的功能及约束方向，运用正确的程序语言进行编写，这样才能保证力学分析结论的正确可靠。
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