基于LS-DYNA屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的跌落仿真分析*

朱 超，費(fèi)國(guó)勝，朱留憲

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

核能源作為一種新能源，具有傳統(tǒng)能源無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，得到了快速的發(fā)展。但是核能源的利用不可避免會(huì)產(chǎn)生核廢料，而且核廢料必須進(jìn)行有效的處理，否則會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的危害。在將核廢料從暫存井轉(zhuǎn)移至永久存放的廠房或永久存放井的過(guò)程中，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器用于存儲(chǔ)核廢料并能夠防止核廢料在進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中對(duì)外界產(chǎn)生輻射。

傳統(tǒng)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由筒體和底座構(gòu)成，筒體和底座采用焊接的方式連接。筒體由內(nèi)外兩層不銹鋼中間灌鉛來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽輻射的功能，鉛層的厚度可根據(jù)核廢料的放射性強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算而確定，內(nèi)外兩層不銹鋼對(duì)鉛層起支撐作用，為了保證強(qiáng)度和剛度，傳統(tǒng)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器往往采用較厚的不銹鋼壁厚，使得整個(gè)容器的重量達(dá)到4 000 kg，高度達(dá)到2．8 m，不僅增加了成本、浪費(fèi)了材料，還加大了起吊和轉(zhuǎn)運(yùn)的難度和在吊運(yùn)過(guò)程中跌落破壞的幾率。

圖1 傳統(tǒng)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器結(jié)構(gòu)

屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器在轉(zhuǎn)運(yùn)核廢料的過(guò)程中會(huì)有多次的起吊過(guò)程，由于其內(nèi)部存儲(chǔ)的是具有輻射性質(zhì)的核廢料，如果在起吊的過(guò)程中發(fā)生意外使得屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器從高處跌落，則會(huì)出現(xiàn)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器破損導(dǎo)致核廢料的泄漏，從而引發(fā)重大安全事故。要對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器做出安全性評(píng)價(jià)需要做跌落試驗(yàn)，但是屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的體積龐大，要做全尺寸的跌落試驗(yàn)比較困難，成本高，危險(xiǎn)性大，可操作性差并且試驗(yàn)信息采集比較困難。因此，對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器進(jìn)行跌落仿真分析是一個(gè)較好的選擇，通過(guò)仿真分析，可以確定最大應(yīng)力場(chǎng)的分布位置和破壞位置，找到容器的薄弱點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保設(shè)計(jì)的容器在發(fā)生意外跌落時(shí)不會(huì)出現(xiàn)核廢料泄漏的事故。

1 顯示算法

LS-DYNA是著名的顯式非線性動(dòng)力分析程序，兼顧隱式求解功能，以Lagrange方法為主，同時(shí)具有Euler和ALE方法，能夠求解復(fù)雜的非線性問(wèn)題。顯式時(shí)間積分采用中心差分法［1］，在n個(gè)時(shí)間結(jié)束后的加速度通過(guò)下式計(jì)算:

式中:P為第n個(gè)時(shí)間步內(nèi)所施加的節(jié)點(diǎn)外力向量;Fint為tn時(shí)刻的內(nèi)力矢量，為單元的內(nèi)力與接觸力之和，單元的內(nèi)力由當(dāng)前構(gòu)型的應(yīng)力場(chǎng)的散度求得，其計(jì)算式為:

等式右邊三項(xiàng)依次為單元應(yīng)力場(chǎng)等效節(jié)點(diǎn)力、沙漏阻力和接觸力矢量。

動(dòng)態(tài)跌落仿真是高度非線性過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，也稱為時(shí)間歷程分析，是分析隨時(shí)間變化的載荷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)［2］。運(yùn)用LS-DYNA程序，基于顯式算法對(duì)非線性過(guò)程進(jìn)行求解計(jì)算，保證了計(jì)算的快速收斂和準(zhǔn)確性。

2 有限元模型的建立

為了便于分析，對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了螺栓、銷孔等次要結(jié)構(gòu)和零件，運(yùn)用三維造型軟件SolidWorks繪制出屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的主體結(jié)構(gòu)，以中間格式(igs、stp或xt)導(dǎo)入有限元軟件HYPERMESH中，對(duì)屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的離散化，生成有限元模型［3］，網(wǎng)格單元尺寸為6 mm，共21 947個(gè)單元。單元類型為 Solid164實(shí)體單元，該單元為顯示非線性分析的專用實(shí)體單元類型，由8節(jié)點(diǎn)組成。如圖2所示。

圖2 有限元模型

在仿真分析中，主要是觀察屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器的變形情況，因此把地面設(shè)為剛體。屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器采用AISI304 不銹鋼材料［4］，密度為 8．0 ×103kg/m3，彈性模量1．9 ×1011N/m2，泊松比為 0．29，屈服強(qiáng)度為 2．07×108N/m2，張力強(qiáng)度為5．07 ×108N/m2。

3 邊界與加載

對(duì)地面的底邊和四周時(shí)間spc約束，限制地面的運(yùn)動(dòng)，并施加無(wú)反射邊界條件，以模擬無(wú)限大的空間。筒體和底座設(shè)置為兩個(gè)part，并通過(guò) contact-spotweld進(jìn)行約束連接，連接2個(gè)相對(duì)應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)，相互連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在被約束的自由度方向具有相同的位移［5］。

4 結(jié)果分析

為了提高仿真結(jié)果的普遍適用性，筆者選取容器在吊裝過(guò)程中容易出現(xiàn)的傾斜向下跌落的情形進(jìn)行了仿真分析，考慮吊裝實(shí)際情況，跌落高度設(shè)為2 m。在仿真跌落過(guò)程中，容器底座首先與地面接觸撞擊，底座出現(xiàn)較大變形，應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示;底座和地面之間的接觸力(界面反作用力)隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，從接觸力的曲線看，隨著容器與地面的不斷接觸，容器受到的沖擊力不斷增大，在碰撞開(kāi)始后的2 ms沖擊力達(dá)到了最大值，最大應(yīng)力為32．5 GPa，達(dá)到最大應(yīng)力的是21 234節(jié)點(diǎn)位置(底座與地面接觸的凸緣地方)。

圖3 接觸撞擊的初始階段

圖4 底座和地面之間接觸力曲線

然后容器被地面反彈，沖擊力開(kāi)始減小，沖擊力變?yōu)榱銜r(shí)容器被彈入空中，接著又開(kāi)始第二次跌落碰撞過(guò)程，由于跌落高度不同，容器與地面第二次碰撞接觸時(shí)受到的沖擊力相比第一次就要小得多，最大應(yīng)力為2．4 GPa，達(dá)到最大應(yīng)力的是58876節(jié)點(diǎn)位置。由于最大應(yīng)力值大于了不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致了容器底座出現(xiàn)了較大的變形，并且隨著跌落過(guò)程的進(jìn)行，筒體與底座的焊點(diǎn)約束失效，筒體發(fā)生傾斜后與底座分離，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器發(fā)生破壞，如圖5所示。通過(guò)跌落仿真分析可知，屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器在起吊過(guò)程中跌落很容易引起破壞，傳統(tǒng)的屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器在結(jié)構(gòu)上存在缺陷，因此需對(duì)屏蔽容器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖6為能量曲線。

5 優(yōu)化改進(jìn)措施

通過(guò)有限元軟件LS-DYNA的跌落仿真模擬可L型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有相同的阻抗變換因數(shù)。2．6 MHz逆變器用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)具有較高的效率，驗(yàn)證了所提出設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的有效性。所提出的高效阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法可為以L型網(wǎng)絡(luò)為基本單元設(shè)計(jì)無(wú)源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)提供參考，而對(duì)于以Π型或T型網(wǎng)絡(luò)為基本單元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，則有待于更進(jìn)一步研究。

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