基于有限元法的放射性固体废物桶运输辅助装置的力学分析

曾祥宝 魏川淋

摘 要：针对目前国内放射性固体废物运输效率低、安全性低等问题，笔者设计了一种放射性固体废物桶运输辅助装置，建立了运输辅助装置的三维模型，并利用ANSYS对该单元进行了有限元力学分析，重点考虑静止水平放置、倾斜30°放置、刹车制动、急转弯等四个工况下关键连接紧固部件的变形和强度。计算结果表明，固体废物桶运输辅助装置的材料强度满足设计要求，这为运输辅助装置的设计定型提供了理论依据。

关键词：有限元法;运输辅助装置;三维模型;力学分析

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）07-0030-05

Abstract： In view of the present domestic radioactive solid waste transportation problem of low efficiency and low security， the author designed a kind of auxiliary transport device of radioactive solid waste steel drum， a three-dimensional model of transport auxiliary device was established， and finite element mechanics analysis of the element was carried out by using the ANSYS， the emphasis was put on the deformation and strength of key fastening parts under four conditions of the static horizontal placement， the static horizontal placement， the tilt 30° placement， the brake braking， and sharp turning. The calculation results showed that the transport auxiliary device of radioactive solid waste drum conform to the requirements of the strength of materials design， this provided a theoretical basis for the design and finalization of transportation auxiliary devices.

Keywords： finite element method;transport auxiliary device;3D model;mechanical analysis

随着我国核军工、核电及民用核技术产业的发展，在核设施的运行、维护和退役等过程中产生了一定量的放射性固体废物，这些放射性废物需采取运输的方式送到指定地点进行集中处理。根据相关法规和标准，通常采用的运输模式为在废物运输前将其装入200L标准废物桶（以下简称“200L桶”），再采用抱桶叉车将200L桶放置在标准拖挂车上开始道路运输。该运输方式存在运输效率低、安全性差、作业人员所受辐照时间长等问题。为解决上述问题，研制了一套放射性废物桶运输辅助装置。为评价该装置的可靠性，本文采用ANSYS软件对放射性废物桶运输辅助装置进行力学分析，重点考虑关键连接紧固部件的变形和强度。

1 放射性固体废物运输辅助装置概述

放射性固体废物运输辅助装置主要由托盘、限位挡板、链接锚杆、托盘链接件、F型固定夹具等组成。放射性运输辅助装置各部件均选用Q235材料焊接而成，Q235材料性能如表1所示。托盘由规格为50mm×50mm、壁厚3mm的标准矩形空心钢管焊接而成，每个托盘使用12根这样的空心钢管;限位挡板由圆钢和铁板组成;链接锚杆由直径为16mm的圆钢组成;托盘链接件由50mm×50mm×5mm的角钢制成;F型固定夹具包括一个固定爪和一个活动爪，活动爪有一个丝杠把手用于锁紧。其结构如图1所示。

2 静力学分析和强度校核

2.1 模型的建立

根据《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》中“载货不超出车辆外观尺寸”和“半挂车载物高度从地面起不得超过4米”的要求，对半挂车运输废物桶的布局总体进行设计（见图2）：通过放射性固体废物运输辅助装置实现20个废物桶并列，4个废物桶并排，形成2×2组合的方形结构单元，单层20个组合，单层放置80个桶，2层码放[1-2]。

由于整体转运货包的有限元网格数量过于庞大，无法进行计算。对此，依据相应力学原理，对整体转运货包进行适当简化，采用简单的上下格架单元的组合体，如此即可验证单元的性能，同时能建立相应的评价方法，采用此方法計算简化转运货包（2个上下格架单元的组合体）在特定工况下的强度。将上下格架单元（见图3）沿汽车横向左右方向放置2个单元，称为“a组合模型”（见图4）;将上下格架单元沿汽车行进方向放置2个单元，称为“b组合模型”（见图5）。

放射性固体废物运输车辆在运输放射性固体废物时通常选择高速公路、国道和省道三种路种，根据车辆行驶时的极端情况，选择静止水平放置、倾斜30°放置、刹车制动、急转弯等四个特殊工况进行力学分析。

a组合模型：取横向放置的两个单元组，其在静止、倾斜30°放置、刹车制动三种工况下与上下格架单元受力情况一致，因此只对a模型在急转弯工况下作有限元分析，考察形变与应力情况。

b组合模型：取纵向放置的两个单元组，其在急转弯、静止放置两种工况下与上下格架单元受力情况一致，因此只对b模型在倾斜30°放置和刹车制动两种工况下作有限元分析，考察形变与应力情况[3]。

2.2 网格划分

该运输辅助装置网格划分采用的是三角形网格，设定Element Size为20mm。上下格架单元模型有限元网格划分节点数为386 930，网格数为177 985;a组合模型有限元网格划分节点数为780 126，网格数为362 743;b组合模型有限元网格划分节点数为78 345，网格数为365 656。结果如图6、7、8所示[4]。

2.3 约束条件及载荷

针对上下格架单元模型，分别对静止水平放置、倾斜30°放置、刹车制动、急转弯四种状态作静力分析。各个状态均對其底部施加位移约束。

针对a组合模型，在F型夹具处施加位移约束，如图9所示;在底部施加Y、Z方向位移约束，保留X方向自由度，如图10所示。考虑到a模型与上下格架单元模型的相似性，仅对转弯工况下关键连接紧固部件的变形和强度作静力分析。

针对b组合模型，在F型夹具处施加位移约束，如图11所示;在底部施加Y、Z方向位移约束，保留X方向自由度，如图12所示。考虑到b模型与上下格架单元模型的相似性，仅对倾斜30°和刹车时关键连接紧固部件的变形和强度作静力分析[5-6]。

2.4 校核结果分析

在完成所有前处理后，按照Solution>Solve>Current LS操作对模型进行计算。格架、托盘链接件及F型固定夹具的变形和应力情况校核计算结果如表2、3、4所示。由于托盘链接件和F型固定夹具只有在单元组合工况下使用，所以只分析单元组合情况下限位框架的形变及其许用强度。

由表2、3、4的计算结果可以看出，运输辅助装置的格架单元及其组合在不同工况下的最大形变均小于1mm，最大应力均小于Q235材料强度极限，满足强度要求。

3 结论与分析

为了提高放射性固体废物运输的安全性和高效性，设计了放射性固体废物桶运输辅助装置，并利用ANSYS有限元力学分析方法，对辅助装置的结构材料在静止水平放置、倾斜30°放置、刹车制动、急转弯四种工况下进行了分析。分析结果表明，所选材料满足强度要求。下一步将利用所选材料加工运输辅助装置开展实际运输实践活动。

参考文献：

[1]徐嘉.基于有限元法的分级破碎机分体式机架的静力学分析[J].选煤技术，2017（5）：13-15.

[2]邓援超，赵黎明，王雪梅，等.水泥装车机机架有限元静力学分析[J].湖北工业大学学报，2017（4）：12-14.

[3]邹广平，王鹏，程贺章，等.基于有限元法新型方舱力学性能分析及优化设计[J].兵器材料科学与工程，2014（5）：9-14.

[4]胡倩，肖亚明.低层无比钢结构的整体力学性能分析[J].工程与建设，2016（3）：297-299.

[5]国家标准局.碳素结构钢：GB 700—1988[S].北京：国家标准出版社，1988.

[6]中华人民共和国交通部.厂矿道路设计规范：GBJ 22—87[S].北京：中国计划出版社，1988.