特种水闸门抗震性能分析

辛玉欣，汤淋淋

（硅湖职业技术学院，江苏 昆山 215300）

0 引 言

核能是一种通过裂变产生的清洁高效能源，具有很高的安全性和经济性。百万级核电站多采用非能动型压水堆核电站，能够保证核电站的可靠性[1-2]。水闸门为核电站机组汽轮机厂房地下廊道水闸门，为了保证地下廊道被水淹没时，用来隔断汽轮机厂房与地下廊道之间的联系，保证水无法漫到核电站机组汽轮机厂房中，保护厂房内设备[3-4]。本文建立了核电站用水闸门有限元模型，分析了水闸门在地震载荷条件下的可靠性，通过静力学、强度两种不同的方式对其受载时的应力、应变以及变形量进行了数值分析，判定该水闸门是否满足地震载荷，为以后的特种门设计提供参考以及作为同类型特种门可靠性判定的依据。

1 有限元模型处理

本文先通过Solidworks 软件建立了水闸门的几何模型，在确保计算结构精确性、总体结构和结构危险部位不变的情况下，本文对模型做了如下处理：（1）忽略了水闸门中各个部件的倒圆角；（2）忽略了水闸门的启闭装置；（3）忽略了水闸门的铰链结构[5-7]。核电站用水闸门所用材料为Q235-B 和45 钢，Q235-B 性能：密度为7 830 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.247；45 钢性能：密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.269。由于水闸门的结构较复杂，适合采用分区画网格的方法，网格大小为1 mm，共113 200 个单元。

2 抗震分析

2.1 静力学分析

2.1.1 载荷及约束的添加

由于水闸门门框安装在门洞上，门框的背面与墙体相连，门框的四周受到门洞的约束，门框的背面受到墙体的约束，门扇通过铰链与门框连接，因此默认为面面贴合接触。水闸门所受的载荷除了本身的自重外，还受到浸没水中时的水体压力，因此需要对门框的正面和门扇正面进行面载荷的施加，其大小为水体压力，为1 MPa。

2.1.2 水闸门整体结果分析

由图1 可知，水闸门的最大等效应力发生在门的正中间梁与梁的交接形成的方形处，最大的等效应力为345.25 MPa，最大等效应力小于材料的屈服强度和抗拉强度，因此该设计满足强度要求。水闸门的最大位移发生在门的正中间位置，且向四周变形越来越小，最大的位移变形为2.084 5 mm，该值相对较小，由经验（小于3 mm）可知，能满足水闸门实际运行时的工作要求。

2.2 强度分析

2.2.1 载荷

自重状态下的应力分析载荷为重力加速度，SSE地震工况下的载荷为重力加速度和地震加速度的累加，Fx=4.5 m/s2，Fy=4.5 m/s2，Fz=14.615 m/s2。

2.2.2 闭合状态下SSE 地震事故工况应力分析

地震载荷作用下门整体的分析如图2 所示，最大等效应力为79 MPa。

同样根据计算结果，进行应力线性化处理，分离出结构的薄膜应力和薄膜加弯曲应力，Pm=40 MPa，Pm+Pb=90 MPa，应力小于许用应力（375 MPa），因此，此设备满足ASME 关于强度评定规范要求。

3 结 语

本文对水闸门整体进行了静力学分析，同时对水闸门门扇部分进行了强度分析，得到如下结论：

（1）水闸门的最大的等效应力为345.25 MPa，最大的位移变形为2.084 5 mm，水闸门在1 MPa 水压下满足强度要求；（2）地震载荷下水闸门整体结构强度满足ASME 规范的要求，在地震作用事故工况下可以保持门的完整性。