海上浮动核电站压力容器DDAM抗冲击计算

程方训，孙海军，刘 磊

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

近年来海上浮动核电站快速发展，在海上运行时不可避免会碰到冲击问题。平台以及平台上关键设备抵抗冲击的能力是影响其生命力的重要因素[1]。因此对海上浮动核电站关键设备进行抗冲击研究十分必要。针对舰船设备，国内外都有各自的标准规范，设备应进行冲击试验，对不能进行冲击试验的设备应该进行设备冲击设计分析来验证其是否满足冲击要求[2]。目前国内外主流的抗冲击设计分析方法有等效静力法、动力设计分析方法（DDAM）和设计谱法。等效静力法基于结构静力分析理论，将设备部件的冲击载荷简化为静载荷作用进行分析。动态设计分析方法则基于模态分析理论将近似线性的设备简化为线性的弹簧和质量系统，输入冲击谱载荷进行计算。设计谱法是由设计谱转化为等效的时域加速度曲线作为设备的冲击载荷，来进行时域求解分析[3]。DDAM方法具有成本低、分析方便等优点，被各国广泛用于舰用设备设计和评估的方法[4 – 6]。

本文将基于GJB1060.1-91[7]，采用DDAM方法对海上浮动核电站上某压力容器进行结构抗冲击性能分析。

1 研究方法

1.1 动力学设计分析方法（DDAM）

动力学设计分析方法（DDAM，Dynamic Design Analysis Method）[8]，是美国海军广泛使用的基于冲击压力谱的分析方法，主要用于舰船设备的抗冲击设计。二战中大量战舰在非接触式爆炸冲击作用下失去战斗力，因此现代舰船设计时都应进行抗冲击设计分析，以检验设备的抗冲击能力。DDAM是美国海军研究所的O′Hara和Belsheim在1963年提出的，其研究人员通过大量的水下爆炸试验，建立了水面舰船和潜艇的DDAM冲击设计谱。在此基础上，各国军标或有自己的DDAM冲击设计谱。冲击设计谱与地震中的设计压力谱概念相同，实质是冲击设计压力谱，也是通过大量试验和统计分析后认为确定的用于设计的压力谱。

表 1 设计冲击谱值Tab. 1 The shock design spectrum

Ansys基于美军报告，实现了英制单位的DDAM算法，可进行舰船设备的抗冲击分析。若利用DDAM对不同频率的单自由度系统进行压力谱分析，可以获得频率—谱值形式的冲击设计压力谱，此时可用单点压力谱实现冲击压力谱分析，因此可以说DDAM是单点压力谱仅为基础激励时的特殊情况。

我国军标中对动力学设计冲击谱的确定也有规定，但是它采用国际单位制，不便于在Ansys 中进行DDAM谱分析。为此需要对相应计算公式做一些转换。我国军标国际单位下转换后的计算公式如表1所示。

1.2 分析计算步骤

根据GJB1060.1-91的相关规定，进行频域分析时必须包含设备80%以上的模态质量。得出相应频率谱与模态质量后，通过规范确定冲击谱后加载计算。计算流程如图1所示。

2 计算模型

2.1 模型介绍

本文研究对象为海上浮动核电站某压力容器，其直径为550 mm，壁内外均有一定厚度保温层，壁厚10 mm。在罐身上还有吊耳、开关阀门以及其他管路结构。为了简化建模计算，简化掉这些与本次计算无关的附属结构。罐身本体总重550 kg，计算时，取其内部满水，即0.35 m3水量，结构计算重量950 kg。压力容器模型示意图如图2所示。

2.2 材料参数

图 1 DDAM 计算流程图Fig. 1 DDAM calculation flow chart

图 2 压力容器示意图Fig. 2 Pressure vessel diagrammatic sketch

本文模型长度采用毫米为单位，质量采用吨为单位。其中模型中平台结构，压力容器结构均采用shell181单元，采用mass21单元模拟罐中液体质量，采用mpc184单元模拟螺栓结构。其他钢材均为316L钢材料属性。

2.3 设计冲击谱计算

冲击设计谱计算如下：

根据GJB1060.1规定，分析模态中所有模态的模态质量之和必须大于系统总质量的80%。经计算，最终确定设备的前80阶模态对应的模态质量之和大于总质量80%，满足规范要求。在选择模态时，必须包含模态质量大于系统质量10%的所有模态。为了保证结果的精度和模态信息的完整性，选取模态质量大于系统质量1%的所有模态进行分析。表2给出垂向设计冲击谱。

表 2 垂向冲击谱值Tab. 2 Vertical shock design spectrum

3 计算结果与分析

3.1 压力容器抗冲击计算结果

利用Ansys进行DDAM计算得到了压力容器3个方向抗冲击性能特性。图4、图5和图6分别给出了横向、纵向和垂向压力容器整体应力和位移云图。表3给出了压力容器在横向、纵向和垂向冲击作用下的应力和位移结果。

图 4 横向冲击应力和位移云图Fig. 4 Transverse impact stress and impact displacement

图 5 纵向冲击应力和位移云图Fig. 5 Longitudinal impact stress and impact displacement

图 6 垂向冲击应力和位移云图Fig. 6 Vertical impact stress and impact displacement

为了分析斜向支撑对压力容器抗冲击的影响，将其厚度增加4 mm，对压力容器再次进行DDAM抗冲击计算，对比计算结果如表4所示。

3.2 结果分析

根据表3可知压力容器在受到纵向和垂向冲击时，其结构应力均没有超出其屈服极限，满足动态冲击强度要求；在受到横向冲击时，结构最大应力超过了许用应力，应加强压力容器在横向的抗冲击能力。

表 3 压力容器应力和位移计算结果Tab. 3 The stress and displacement of Pressure vessel

表 4 压力容器应力和位移计算结果Tab. 4 The stress and displacement of Pressurevessel

根据3个方向计算结果可知，压力容器在受到冲击时，斜向支撑和三角支撑等支撑处应力较大，压力容器本身应力不大，因此压力容器的支撑件是其抗冲击的薄弱环节，需提高支撑件结构强度。

根据表4可知，在加厚压力容器的斜向支撑后，横向和纵向冲击应力均有减小，对垂向冲击应力影响不大；横向冲击应力减幅最大，因此斜向支撑对提高压力容器横向抗冲击能力有很大的作用。

4 结 语

海上浮动核电站上一些关键设备由于试验条件、经费等原因不能进行抗冲击试验，需要进行冲击设计分析来验证其是否满足抗冲击要求。本文利用Ansys软件对海上浮动核电站压力容器进行DDAM抗冲击分析计算，得到了压力容器的抗冲击特性。这种方法对工程技术人员进行海上浮动核电站关键设备抗冲击性能分析有一定的借鉴意义。