海上浮動核電站壓力容器DDAM抗沖擊計算

程方訓，孫海軍，劉 磊

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來海上浮動核電站快速發(fā)展，在海上運行時不可避免會碰到沖擊問題。平臺以及平臺上關鍵設備抵抗沖擊的能力是影響其生命力的重要因素[1]。因此對海上浮動核電站關鍵設備進行抗沖擊研究十分必要。針對艦船設備，國內外都有各自的標準規(guī)范，設備應進行沖擊試驗，對不能進行沖擊試驗的設備應該進行設備沖擊設計分析來驗證其是否滿足沖擊要求[2]。目前國內外主流的抗沖擊設計分析方法有等效靜力法、動力設計分析方法（DDAM）和設計譜法。等效靜力法基于結構靜力分析理論，將設備部件的沖擊載荷簡化為靜載荷作用進行分析。動態(tài)設計分析方法則基于模態(tài)分析理論將近似線性的設備簡化為線性的彈簧和質量系統(tǒng)，輸入沖擊譜載荷進行計算。設計譜法是由設計譜轉化為等效的時域加速度曲線作為設備的沖擊載荷，來進行時域求解分析[3]。DDAM方法具有成本低、分析方便等優(yōu)點，被各國廣泛用于艦用設備設計和評估的方法[4 – 6]。

本文將基于GJB1060.1-91[7]，采用DDAM方法對海上浮動核電站上某壓力容器進行結構抗沖擊性能分析。

1 研究方法

1.1 動力學設計分析方法（DDAM）

動力學設計分析方法（DDAM，Dynamic Design Analysis Method）[8]，是美國海軍廣泛使用的基于沖擊壓力譜的分析方法，主要用于艦船設備的抗沖擊設計。二戰(zhàn)中大量戰(zhàn)艦在非接觸式爆炸沖擊作用下失去戰(zhàn)斗力，因此現(xiàn)代艦船設計時都應進行抗沖擊設計分析，以檢驗設備的抗沖擊能力。DDAM是美國海軍研究所的O′Hara和Belsheim在1963年提出的，其研究人員通過大量的水下爆炸試驗，建立了水面艦船和潛艇的DDAM沖擊設計譜。在此基礎上，各國軍標或有自己的DDAM沖擊設計譜。沖擊設計譜與地震中的設計壓力譜概念相同，實質是沖擊設計壓力譜，也是通過大量試驗和統(tǒng)計分析后認為確定的用于設計的壓力譜。

表 1 設計沖擊譜值Tab. 1 The shock design spectrum

Ansys基于美軍報告，實現(xiàn)了英制單位的DDAM算法，可進行艦船設備的抗沖擊分析。若利用DDAM對不同頻率的單自由度系統(tǒng)進行壓力譜分析，可以獲得頻率—譜值形式的沖擊設計壓力譜，此時可用單點壓力譜實現(xiàn)沖擊壓力譜分析，因此可以說DDAM是單點壓力譜僅為基礎激勵時的特殊情況。

我國軍標中對動力學設計沖擊譜的確定也有規(guī)定，但是它采用國際單位制，不便于在Ansys 中進行DDAM譜分析。為此需要對相應計算公式做一些轉換。我國軍標國際單位下轉換后的計算公式如表1所示。

1.2 分析計算步驟

根據(jù)GJB1060.1-91的相關規(guī)定，進行頻域分析時必須包含設備80%以上的模態(tài)質量。得出相應頻率譜與模態(tài)質量后，通過規(guī)范確定沖擊譜后加載計算。計算流程如圖1所示。

2 計算模型

2.1 模型介紹

本文研究對象為海上浮動核電站某壓力容器，其直徑為550 mm，壁內外均有一定厚度保溫層，壁厚10 mm。在罐身上還有吊耳、開關閥門以及其他管路結構。為了簡化建模計算，簡化掉這些與本次計算無關的附屬結構。罐身本體總重550 kg，計算時，取其內部滿水，即0.35 m3水量，結構計算重量950 kg。壓力容器模型示意圖如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)

圖 1 DDAM 計算流程圖Fig. 1 DDAM calculation flow chart

圖 2 壓力容器示意圖Fig. 2 Pressure vessel diagrammatic sketch

本文模型長度采用毫米為單位，質量采用噸為單位。其中模型中平臺結構，壓力容器結構均采用shell181單元，采用mass21單元模擬罐中液體質量，采用mpc184單元模擬螺栓結構。其他鋼材均為316L鋼材料屬性。

2.3 設計沖擊譜計算

沖擊設計譜計算如下：

根據(jù)GJB1060.1規(guī)定，分析模態(tài)中所有模態(tài)的模態(tài)質量之和必須大于系統(tǒng)總質量的80%。經計算，最終確定設備的前80階模態(tài)對應的模態(tài)質量之和大于總質量80%，滿足規(guī)范要求。在選擇模態(tài)時，必須包含模態(tài)質量大于系統(tǒng)質量10%的所有模態(tài)。為了保證結果的精度和模態(tài)信息的完整性，選取模態(tài)質量大于系統(tǒng)質量1%的所有模態(tài)進行分析。表2給出垂向設計沖擊譜。

表 2 垂向沖擊譜值Tab. 2 Vertical shock design spectrum

3 計算結果與分析

3.1 壓力容器抗沖擊計算結果

利用Ansys進行DDAM計算得到了壓力容器3個方向抗沖擊性能特性。圖4、圖5和圖6分別給出了橫向、縱向和垂向壓力容器整體應力和位移云圖。表3給出了壓力容器在橫向、縱向和垂向沖擊作用下的應力和位移結果。

圖 4 橫向沖擊應力和位移云圖Fig. 4 Transverse impact stress and impact displacement

圖 5 縱向沖擊應力和位移云圖Fig. 5 Longitudinal impact stress and impact displacement

圖 6 垂向沖擊應力和位移云圖Fig. 6 Vertical impact stress and impact displacement

為了分析斜向支撐對壓力容器抗沖擊的影響，將其厚度增加4 mm，對壓力容器再次進行DDAM抗沖擊計算，對比計算結果如表4所示。

3.2 結果分析

根據(jù)表3可知壓力容器在受到縱向和垂向沖擊時，其結構應力均沒有超出其屈服極限，滿足動態(tài)沖擊強度要求；在受到橫向沖擊時，結構最大應力超過了許用應力，應加強壓力容器在橫向的抗沖擊能力。

表 3 壓力容器應力和位移計算結果Tab. 3 The stress and displacement of Pressure vessel

表 4 壓力容器應力和位移計算結果Tab. 4 The stress and displacement of Pressurevessel

根據(jù)3個方向計算結果可知，壓力容器在受到沖擊時，斜向支撐和三角支撐等支撐處應力較大，壓力容器本身應力不大，因此壓力容器的支撐件是其抗沖擊的薄弱環(huán)節(jié)，需提高支撐件結構強度。

根據(jù)表4可知，在加厚壓力容器的斜向支撐后，橫向和縱向沖擊應力均有減小，對垂向沖擊應力影響不大；橫向沖擊應力減幅最大，因此斜向支撐對提高壓力容器橫向抗沖擊能力有很大的作用。

4 結 語

海上浮動核電站上一些關鍵設備由于試驗條件、經費等原因不能進行抗沖擊試驗，需要進行沖擊設計分析來驗證其是否滿足抗沖擊要求。本文利用Ansys軟件對海上浮動核電站壓力容器進行DDAM抗沖擊分析計算，得到了壓力容器的抗沖擊特性。這種方法對工程技術人員進行海上浮動核電站關鍵設備抗沖擊性能分析有一定的借鑒意義。