基于LS-DYNA屏蔽转运容器的跌落仿真分析*

朱 超，费国胜，朱留宪

(四川工程职业技术学院机电工程系，四川德阳 618000)

0 引言

核能源作为一种新能源，具有传统能源无可比拟的优势，得到了快速的发展。但是核能源的利用不可避免会产生核废料，而且核废料必须进行有效的处理，否则会给人类社会带来严重的危害。在将核废料从暂存井转移至永久存放的厂房或永久存放井的过程中，屏蔽转运容器用于存储核废料并能够防止核废料在进行转运的过程中对外界产生辐射。

传统屏蔽转运容器的结构如图1所示，主要由筒体和底座构成，筒体和底座采用焊接的方式连接。筒体由内外两层不锈钢中间灌铅来实现屏蔽辐射的功能，铅层的厚度可根据核废料的放射性强度进行计算而确定，内外两层不锈钢对铅层起支撑作用，为了保证强度和刚度，传统屏蔽转运容器往往采用较厚的不锈钢壁厚，使得整个容器的重量达到4 000 kg，高度达到2．8 m，不仅增加了成本、浪费了材料，还加大了起吊和转运的难度和在吊运过程中跌落破坏的几率。

图1 传统屏蔽转运容器结构

屏蔽转运容器在转运核废料的过程中会有多次的起吊过程，由于其内部存储的是具有辐射性质的核废料，如果在起吊的过程中发生意外使得屏蔽转运容器从高处跌落，则会出现屏蔽转运容器破损导致核废料的泄漏，从而引发重大安全事故。要对屏蔽转运容器做出安全性评价需要做跌落试验，但是屏蔽转运容器的体积庞大，要做全尺寸的跌落试验比较困难，成本高，危险性大，可操作性差并且试验信息采集比较困难。因此，对屏蔽转运容器进行跌落仿真分析是一个较好的选择，通过仿真分析，可以确定最大应力场的分布位置和破坏位置，找到容器的薄弱点，进行结构优化设计，以确保设计的容器在发生意外跌落时不会出现核废料泄漏的事故。

1 显示算法

LS-DYNA是著名的显式非线性动力分析程序，兼顾隐式求解功能，以Lagrange方法为主，同时具有Euler和ALE方法，能够求解复杂的非线性问题。显式时间积分采用中心差分法［1］，在n个时间结束后的加速度通过下式计算:

式中:P为第n个时间步内所施加的节点外力向量;Fint为tn时刻的内力矢量，为单元的内力与接触力之和，单元的内力由当前构型的应力场的散度求得，其计算式为:

等式右边三项依次为单元应力场等效节点力、沙漏阻力和接触力矢量。

动态跌落仿真是高度非线性过程的动力学分析，也称为时间历程分析，是分析随时间变化的载荷的动力学响应［2］。运用LS-DYNA程序，基于显式算法对非线性过程进行求解计算，保证了计算的快速收敛和准确性。

2 有限元模型的建立

为了便于分析，对屏蔽转运容器进行了简化，忽略了螺栓、销孔等次要结构和零件，运用三维造型软件SolidWorks绘制出屏蔽转运容器的主体结构，以中间格式(igs、stp或xt)导入有限元软件HYPERMESH中，对屏蔽转运容器实体模型进行网格划分，实现结构的离散化，生成有限元模型［3］，网格单元尺寸为6 mm，共21 947个单元。单元类型为 Solid164实体单元，该单元为显示非线性分析的专用实体单元类型，由8节点组成。如图2所示。

图2 有限元模型

在仿真分析中，主要是观察屏蔽转运容器的变形情况，因此把地面设为刚体。屏蔽转运容器采用AISI304 不锈钢材料［4］，密度为 8．0 ×103kg/m3，弹性模量1．9 ×1011N/m2，泊松比为 0．29，屈服强度为 2．07×108N/m2，张力强度为5．07 ×108N/m2。

3 边界与加载

对地面的底边和四周时间spc约束，限制地面的运动，并施加无反射边界条件，以模拟无限大的空间。筒体和底座设置为两个part，并通过 contact-spotweld进行约束连接，连接2个相对应的单元节点，相互连接的两个节点在被约束的自由度方向具有相同的位移［5］。

4 结果分析

为了提高仿真结果的普遍适用性，笔者选取容器在吊装过程中容易出现的倾斜向下跌落的情形进行了仿真分析，考虑吊装实际情况，跌落高度设为2 m。在仿真跌落过程中，容器底座首先与地面接触撞击，底座出现较大变形，应力场分布如图3所示;底座和地面之间的接触力(界面反作用力)随时间的变化曲线如图4所示，从接触力的曲线看，随着容器与地面的不断接触，容器受到的冲击力不断增大，在碰撞开始后的2 ms冲击力达到了最大值，最大应力为32．5 GPa，达到最大应力的是21 234节点位置(底座与地面接触的凸缘地方)。

图3 接触撞击的初始阶段

图4 底座和地面之间接触力曲线

然后容器被地面反弹，冲击力开始减小，冲击力变为零时容器被弹入空中，接着又开始第二次跌落碰撞过程，由于跌落高度不同，容器与地面第二次碰撞接触时受到的冲击力相比第一次就要小得多，最大应力为2．4 GPa，达到最大应力的是58876节点位置。由于最大应力值大于了不锈钢材料的屈服强度，导致了容器底座出现了较大的变形，并且随着跌落过程的进行，筒体与底座的焊点约束失效，筒体发生倾斜后与底座分离，屏蔽转运容器发生破坏，如图5所示。通过跌落仿真分析可知，屏蔽转运容器在起吊过程中跌落很容易引起破坏，传统的屏蔽转运容器在结构上存在缺陷，因此需对屏蔽容器进行优化设计，图6为能量曲线。

5 优化改进措施

通过有限元软件LS-DYNA的跌落仿真模拟可L型网络应具有相同的阻抗变换因数。2．6 MHz逆变器用阻抗匹配网络的实验结果表明，所设计的阻抗匹配网络具有较高的效率，验证了所提出设计理论和设计方法的有效性。所提出的高效阻抗匹配网络的设计方法可为以L型网络为基本单元设计无源阻抗匹配网络提供参考，而对于以Π型或T型网络为基本单元构成的网络，则有待于更进一步研究。

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