放射性物质运输容器的跌落冲击分析方法

李海龙 孙造占 孙树海 徐 宇

（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

放射性物质运输容器的跌落冲击分析方法

李海龙 孙造占 孙树海 徐 宇

（环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082）

在放射性物质的运输过程中，安全问题至关重要。放射性物质运输审查过程中，运输容器能承受跌落冲击分析是非常重要的内容。本文采用LS-DYNA显式瞬态分析软件，对放射性物质运输容器的跌落冲击分析方法进行了研究。分别考虑了三种跌落方式：水平跌落、垂直跌落和倾斜跌落。针对分析结果，提出了一种按照ASME疲劳相关规范对放射性物质容器进行冲击应力评定的方法。根据该方法，可判断放射性物质运输容器是否满足强度设计的要求。通过分析，该放射性物质运输容器能满足强度设计的要求。

放射性物质，运输容器，跌落冲击，应力评定

对于装载放射性物质的设备，在运输过程中，必须遵守《放射性物质安全运输规定》(GB11806-2004)[1]和IAEA《放射性物质安全运输条例》(TS-R-1)[2]。不同类型放射性物质的运输，根据规范可划分为不同类型的运输货包。对于这些货包，相关规范对其有严格的运输要求，同时对货包应该完成的试验比如跌落、火烧、水淋和贯穿等也有严格的规定。因此装载放射性物质的运输容器，其抗跌落冲击性能是非常重要的一个指标。在进行放射性物质运输容器研发设计时，采用合理的分析方法对其进行抗冲击分析是非常必要的，能够设计出更优化的容器结构，使其具有高抗冲击性能，从而保证在跌落试验中能够一次性通过。本文对自主设计的某放射性物质运输容器进行了跌落冲击分析，并采用相应评价准则来评估该容器设计是否达到ASME规范(3)对其强度的要求。该方法同样适用于其他放射性物质运输容器的跌落冲击分析。

1 结构简述

某装载放射性物质的容器处于自主研发阶段，首先对容器的外轮廓结构形式进行研究，分别考虑了长方体结构、中间为圆柱体两端为半球体的结构、中间为圆柱体两端为椭球体的结构等，并对这些结构的应力分布进行了详细分析。考虑到应力分布的优化和国内目前加工制造能力，最终选用的容器设计结构为中间圆柱体两端半球体。容器材料为TZM，密度ρ为10.2×103kg/m3（容器内的固态放射性物质的质量，采用等效质量的处理方法），泊松比为0.3，室温时弹性模量为3.2×105MPa，抗拉强度Su为1140−1210 MPa。

2 分析软件和模型

分析采用LS-DYNA完成，它是以显式为主、隐式为辅的通用非线性瞬态动力学分析程序。

跌落分析时，采用壳元(SHELL163)模拟，其它的质量采用质量单元(MASS166)模拟，目标面采用三维结构实体单元(SOLID164)模拟。碰撞计算从设备接触目标面开始，容器的自由跌落速度及加速度作为分析的初始条件输入。容器的计算模型如图1所示。

图1 跌落分析有限元模型Fig.1 FEA model of drop analysis.

3 分析结果与评定

跌落分析中要求跌落到地面时的速度为53m/s。

容器的跌落过程可以看作承受多次交变载荷作用。分析计算得到应力-时间曲线，最大应力循环次数按照20次处理。依据《ASME锅炉和压力容器规范》第III卷第一册附录，高强度钢的设计疲劳曲线应力循环次数为20次时，交变应力的许用幅值为2068 MPa。

跌落分析中，考虑了三种跌落方式：轴向平行地面自由跌落、轴向垂直地面自由跌落和设备轴向与地面成45°夹角倾斜跌落。

3.1轴向平行地面自由跌落

容器轴向平行地面自由跌落，撞击目标面时的速度为53 m/s。为了方便显示容器的最大应力分布，将设备翻转了90°。图2为容器应力强度最大时刻的薄膜应力图，应力最大值2653 MPa（此应力是一个瞬态应力）。图3为容器应力强度最大时刻的薄膜加弯曲应力图，应力最大值2682 MPa（此应力是一个瞬态应力）。图4为节点300和329的时间应力强度曲线。由上述图表可知循环过程中的应力差波动幅度不超过1342 MPa，这个值远远小于交变应力的许用幅值(2068 MPa)，说明容器轴向平行地面自由跌落满足强度要求。

图2 水平跌落薄膜应力最大时刻应力强度图Fig.2 Membrane stress intensity distribution in horizontal drop case.

图3 水平跌落薄膜加弯曲应力最大时刻应力强度图Fig.3 Membrane and bending stress intensity distribution in horizontal drop case.

图4 水平跌落节点的时间-应力强度曲线Fig.4 Node stress intensity curve in horizontal drop case.

3.2轴向垂直地面自由跌落

容器轴向垂直地面自由跌落，撞击目标面时的速度为53 m/s。图5为容器应力强度最大时刻的薄膜加弯曲应力图，应力最大值1351 MPa（此应力是一个瞬态应力）。图6为容器应力强度最大时刻的薄膜应力图，应力最大值1191 MPa（此应力是一个瞬态应力）。图7为节点2688和2658的时间应力强度曲线。由上述图表可知循环过程中的应力差波动幅度不超过676 MPa，这个值远远小于交变应力的许用幅值(2068 MPa)，说明容器轴向垂直地面自由跌落满足强度要求。

图5 垂直跌落薄膜应力最大时刻应力强度图Fig.5 Membrane stress intensity distribution in vertical drop case.

图6 垂直跌落薄膜加弯曲应力应力最大时刻应力强度图Fig.6 Membrane and bending stress intensity distribution in vertical drop case.

图7 垂直跌落节点的时间-应力强度曲线Fig.7 Node stress intensity curve in vertical drop case.

3.3轴向与地面成45°夹角倾斜跌落

容器轴向与地面成45°夹角倾斜自由跌落，撞击目标面时的速度为53 m/s。图8为容器应力强度最大时刻的薄膜加弯曲应力图，应力最大值1609MPa（此应力是一个瞬态应力）。图9为容器应力强度最大时刻的薄膜应力图，应力最大值1416MPa（此应力是一个瞬态应力）。图10为节点2664和2407的时间应力强度曲线。由上述图表可知循环过程中的应力差波动幅度不超过805 MPa，这个值远远小于交变应力的许用幅值(2068 MPa)，说明容器轴向与地面成45°夹角倾斜自由跌落满足强度要求。

图8 45°倾斜跌落薄膜应力最大时刻应力强度图Fig.8 Membrane stress intensity distribution in gradient drop case.

图9 45°倾斜跌落薄膜加弯曲应力最大时刻应力强度图Fig.9 Node stress intensity curve in gradient drop case.

图10 45°倾斜跌落节点的时间-应力强度曲线Fig.10 Node stress intensity curve in gradient drop case.

4 结论

本文以自主研发的某放射性物质运输容器为例，提出了一种该类型设备的跌落冲击分析评价方法。即采用通用显式瞬态动力学分析软件(如LS-DYNA)对放射性物质运输容器进行多角度跌落冲击分析，考虑到运输容器跌落过程中的反复弹跳冲击过程，采用分析结果中的循环应力波动幅值来进行交变应力的评价，来判断容器是否满足ASME规范第III卷第一册附录中相关应力限制。对于本文中的运输容器，在三个方向下的跌落冲击（轴向平行地面跌落、轴向垂直地面跌落、轴向与地面成45°夹角倾斜跌落）下，均满足强度要求。

1 《放射性物质安全运输规定》. GB11806-2004[s] Regulations for the safe transport of radioactive material. GB11806-2004[s]

2 IAEA《放射性物质安全运输条例》. TS-R-1[s] Regulations for the safe transport of radioactive material. IAEA Safety Standards Series No.TS-R-1[s]

3 《ASME锅炉和压力容器规范》第Ⅲ卷第一册. 附录[s] ASME Boiler&pressure pressure vessel code. III Division 1. Appendices[s]

Drop impact analysis method of radioactive material container

LI Hailong SUN Zaozhan SUN Shuhai XU Yu
(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082, China)

Background: It is important for the safety of the radioactive material containers during transportation. Purpose: In the procedure of reviewing radioactive material containers transportation, it is very important factor to carry a drop impact analysis of container. Methods: This paper presents a drop impact analysis method of radioactive material container. First, do the calculation of several drop cases of the container such as horizontal drop, vertical drip and gradient drop with the famous transient dynamic analysis program LS-DYNA. Second, do the stress evaluation according to the rules in the ASME Section III Division I Appendices which are about the fatigue analysis. Results: With this method, we can do the judgment that whether the container’s strength is good enough or not. Conclusions: The radioactive material container’s strength is good enough by analysis.

Radioactive material, Container, Drop impact, Stress intensity evaluation

TL93

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040665

李海龙，男，1976年出生，2006年于中国原子能科学研究院获硕士学位，现为在读博士，核与辐射安全中心，高工，核反应堆审评

2012-10-31，

2013-01-06

CLC TL93