缓冲材料对屏蔽转运容器跌落特性的影响研究

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缓冲材料对屏蔽转运容器跌落特性的影响研究

费国胜^1,2，何朝明¹，杜雨轩²，贾永芳²

（1.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031； 2.四川工程职业技术学院机电系，四川德阳 618000）

摘要：利用SolidWorks Simulation跌落测试模块对屏蔽转运容器进行了跌落测试分析。研究了屏蔽转运容器在无缓冲垫、缓冲垫为PE塑料以及缓冲垫为天然橡胶三种工况下的跌落特性。仿真结果表明跌落碰撞过程中无缓冲垫时的最大应力值接近材料的屈服强度，如果发生跌落容易造成核废料泄露。PE塑料作为缓冲垫时的最大应力值与无缓冲垫时相差不大，没有起到缓冲吸能的作用。天然橡胶作为缓冲垫时的最大应力值明显降低，起到了很好的缓冲保护作用。

关键词：屏蔽转运容器；缓冲材料；跌落测试

核反应产生的核废料仍然具有很强的辐射，在转运过程中需要使用专用容器——屏蔽转运容器来保证运输安全。为了减轻吊运重量和降低吊运高度，本文作者根据传统屏蔽转运容器的结构进行改进，设计了一种分体式的新型屏蔽转运容器^[1]，结构如图1所示。该容器在转运核废料的过程中涉及多次吊运过程，可能会出现由于操作人员的失误或发生意外导致屏蔽转运容器从高空跌落的情况，如果容器跌落后出现损坏则会导致核废料的泄漏，产生的辐射将会对人类造成极大的伤害。新型屏蔽转运容器为了减轻重量，采用薄壁加上支撑柱的结构设计，因此需要对屏蔽转运容器进行跌落测试仿真，分析该新型结构在发生跌落后是否会导致容器损坏从而造成核废料的泄漏。

本文采用SolidWorks Simulation跌落测试仿真模块^[2]，对新型屏蔽转运容器进行了三种工况下的跌落测试仿真分析，研究了缓冲材料对屏蔽转运容器跌落特性的影响。

图1 新型屏蔽转运容器结构

1 Simulation跌落仿真模块

SolidWorks Simulation作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成，能够提供丰富的计算与分析工具来对较复杂零件及装配体进行运算、测试和分析，主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等^[3]。

跌落测试算例采用显式时间积分法来求解，能得到整个冲击过程中的应力时间历程。程序根据求解进度从内部调整时间步长，能够根据最小的单元大小自动对临界时间步长进行估算，使用较小的值保证收敛，并且在适当时可以抑制很小的特征，或使用网格控制来防止产生很小的单元。

跌落碰撞的运动方程为：

（1）

式中：M为结构的质量矩阵；C为结构的阻尼矩阵；K为结构的刚度矩阵；a为加速度向量；v为速度向量；d为位移向量；F为外力向量，包括碰撞力。

2 跌落仿真测试

2.1 三维模型建立

新型屏蔽转运容器采用SolidWorks进行模型建立，能够实现模型建立和有限元分析的无缝对接。为了提高仿真分析速度，在不影响仿真分析结果的情况下对三维模型进行了相应的简化，即省略键槽、倒角、螺纹孔，并将螺纹联接和焊接部位定义为刚性接触。本文进行了三种工况下的跌落测试仿真，如表1所示。缓冲垫的形状和屏蔽转运容器底面形状相同，为圆形板状结构，外径650 mm，内径415 mm，厚度15 mm，同样采用简化形式将缓冲垫与屏蔽转运容器底部定义为刚性接触。

表1 跌落测试工况

工况缓冲材料 工况一无缓冲垫 工况二聚乙烯泡沫塑料（PE塑料）[4] 工况三天然橡胶[5]

2.2 定义材料属性

新建跌落测试算例后，从SolidWorks自带的材料库中选择模型材料，本次仿真模型对应的材料共有四种：AISI 304、铅、PE塑料和天然橡胶，力学性能如表2所示。

2.3 设置跌落参数

设置模型接触类型为全局接合接触，考虑实际吊装高度确定跌落仿真测试高度为1.5 m，重力加速度为9.81 m/s²。为了节约程序计算的时间，选择指定冲击时的速度，速度方向垂直于目标平面，大小为：

（2）

目标平面默认为刚性平面，摩擦系数与接触阻尼都设置为零。冲击后的求解时间采用程序根据模型高度、材料弹性模量和密度估算的默认值1889 μs，并将其分为30个时间间隔，即图解步长数为30，可以保留30个结果数据供查看。

表2 材料力学性能

材料弹性模量/（N·m-2）泊松比质量密度/（kg·m-3）屈服强度/（N·m-2）张力强度/（N·m-2） AISI 3041.9E+110.2980002.07E+85.17E+8 铅1.4E+100.4011300－－ PE塑料1.07E+90.41952－2.21E+7 天然橡胶1.0E+40.45960－2.0 E+7

2.4 网格划分

采用SolidWorks Simulation自动网格器中的标准实体网格划分方案对三维模型进行实体网格划分，设置整体网格大小为50 mm，公差为2.5 mm，雅各比点数为4点，生成高品质的网格，如图2所示。

图2 有限元模型

网格划分完成后不同工况的模型数据如表3所示。工况二和工况三中由于模型增加了缓冲垫，故节点数、单元数和自由度数与工况一的模型相比都有所增加。

表3 不同工况模型数据

工况节点数单元数自由度数 工况一7373584258221205 工况二7433585154223005 工况三7433585154223005

3 仿真结果分析

屏蔽转运容器三种跌落工况碰撞过程中各图解步长的最大应力变化曲线如图3所示，出现最大应力时的应力云图如图4所示，出现最大应力的节点在整个跌落碰撞过程的应力时间响应如图5所示。

图3 各图解步长最大应力变化曲线

从图3～图5可看出，在跌落碰撞冲击过程中，屏蔽转运容器在各图解步长的最大应力值不断变化，跌落碰撞过程中的最大应力值、最大应力出现的节点位置和图解步长都不相同，如表4所示。最大应力的节点位置都在底座内部支撑柱上，工况一节点5185的应力从碰撞接触开始就很大，然后上下波动；工况二节点9859的应力从碰撞接触开始很小，随着缓冲垫的弹性变形到达极限应力迅速增大，然后趋于平稳状态；工况三节点1345的应力随着缓冲垫的弹性变形从接近零开始呈抛物线趋势增加。

表4 不同工况最大应力对比

工况图解步长最大应力值/（N·m-2）节点 工况一192.06654E+85185 工况二112.06778E+89859 工况三301.73255E+61345

跌落碰撞过程中工况二的最大应力值比工况一的最大应力值稍大一些，但都非常接近材 料的屈服强度，而工况三的最大应力值远远低于材料的屈服强度。因此新型屏蔽转运容器在无缓冲垫时如果发生跌落容易导致核废料的泄露，PE塑料作为缓冲垫不能起到缓冲吸能作用，容器意外跌落同样会发生核废料泄露的危险，天然橡胶作为缓冲垫能够极有效的降低跌落碰撞冲击过程的最大应力，起到很好的缓冲作用，从而防止跌落造成的核废料泄露。

图4 各工况跌落碰撞过程中的最大应力云图

图5 各工况最大应力节点的应力时间响应

跌落仿真分析产生这种结果的原因跟选用材料的弹性模量有关。工况一由于没有缓冲垫，碰撞时不锈钢与目标平面直接接触，由于弹性模量大导致应力大。PE塑料的弹性模量比不锈钢和铅小，但远远大于天然橡胶的弹性模量，因此工况二中容器开始和目标平面接触时因为PE塑料的弹性变形，使得碰撞接触瞬时的最大应力值远远小于工况一。随着碰撞过程的进行，由于PE塑料弹性模量大导致弹性变形小，当变形达到极限时应力迅速增加到工况一的应力值一样，甚至由于加上缓冲垫后质量增加导致跌落惯性增大，使得整个跌落冲击过程工况二的最大应力值反而比工况一的最大应力值稍大一些。天然橡胶由于弹性模量小，因此弹性变形 大，使得跌落碰撞过程各图解步长的最大应力值远远小于工况一和工况二。最大应力值随着弹性变形量线性增加，整个跌落碰撞过程的最大应力值出现在图解步长为30时，说明从碰撞接触开始到碰撞结束分离，天然橡胶都还没有达到弹性变形极限，因此对屏蔽转运容器的跌落起到了很好的缓冲保护作用。

4 结论

（1）新型屏蔽转运容器实现了轻量化的结构设计，但无缓冲垫时跌落过程的最大应力值和材料屈服强度接近，如果发生意外跌落容易导致核废料泄露，带来危害。

（2）PE塑料弹性模量较大，弹性变形小，在跌落过程中没有起到缓冲吸能作用，最大应力值和无缓冲垫时的最大应力值相差不大，不适合作为该容器的缓冲材料。

（3）天然橡胶弹性模量小、弹性变形大、缓冲效果好，使得跌落碰撞过程中的最大应力值远远小于材料的屈服强度，能够起到很好的缓冲保护作用。

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Research on the Effect of Cushion Material on the Drop Characteristicsof Shielded Transshipment Container

FEI Guosheng^1,2，HE Chaoming¹，DU Yuxuan²，JIA Yongfang²

(1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Department of Electromechanical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, China )

Abstract：The drop test of shielded transshipment container was carried out by SolidWorks simulation drop test module. Drop characteristics of shielded transshipment container under three conditions were studied: Absence of cushion, PE plastic cushion and natural rubber cushion. The results show that the maximum stress in the absence of cushion condition is close to the yield strength of material during the drop impact progress. It will easily lead to nuclear waste leakage. In the PE plastic cushion condition, the maximum stress is almost the same with condition one, it did not play the role of buffer energy absorption. However, in the natural rubber cushion condition, the maximum stress is significantly reduced and played a very good buffer protection.

Key words：shielded transshipment container；cushion material；dropping test

中图分类号：TP391.9；TL93+2.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.05.002

文章编号：1006－0316 (2017) 05－0006－05

收稿日期：2016－12－07

基金项目：国家自然科学基金（51275431）

作者简介：费国胜（1987－），男，四川乐山人，硕士，助教，主要研究方向为机械设计。