摘要：根据专用的水力部件应用环境要求，设计一款用于核部件运输的专用容器。利用ANSYS中的LS-dyna模块对运输桶进行高度为0.3 m的垂直掉落和倾斜掉落冲击研究，得出其在2种冲击工况下的应力分布情况，并以3个壁厚和掉落高度4个输入变量进行可靠性分析；利用二次多项式对4个输入变量和对应的应力点进行拟合，求解参数变量，构建响应面模型；结合6 Sigama模块对整体结构进行可靠性分析，算出该模型的整体冲击最大应力，并得出该模型在倾斜冲击情况下的可靠性为95.233%。

　　关键词：运输桶；可靠性；显性动力学；仿真

　　0引言

　　近年来随着新型能源的快速发展，核能作为清洁能源的一大主要来源，核电站等快速发展[1]。核主泵是核岛正常运行及能量运转的核心部件，为保障核岛的正常运行，需对水泵的水力部件进行定期检修维护。由于主泵水力部件工作时长期与具有高放射性的冷却液接触，在水力部件表面会附带高剂量的放射性液体。故水力部件在核岛外部进行运输时需要考虑运输容器的屏蔽及承受冲击能力，需满足GB11806-2019《放射性物质安全运输规程》的设计要求，具有良好的密封性、耐低温、抗冲击能力等，以满足国际通用的陆路、海陆运输要求[2]。

　　国内针对水力部件运输容器的研究较少，目前仅中核集团首次针对此容器结合包装设计要求进行过结构包装上的设计研究[3]，且采用了传统安全系数的设计方法对整体结构进行计算。随着核能源的快速发展，水泵的水力部件结构不断改变，现有运输箱的结构很难满足结构发展要求，且安全系数高不能代表结构具有高的可靠性，会存在一定的失效隐患。本文针对国内一种水力部件的结构进行运输容器的多用性结构设计，构建运输容器的结构模型并进行冲击事故下的显示动力学分析，结合应力分布区域得出主要输入变量的参数化模型，得出应力响应点并构建响应面模型，结合ANSYS中6 Sigama模块对结构的冲击和掉落特性进行可靠性分析，分析多种输入变量与响应结果之间的灵敏度,为整体结构的优化设计及箱体结构后期的安全检修提供参考。

　　1屏蔽运输桶体结构分析和可靠性分析方法

　　1.1屏蔽运输桶结构分析

　　本屏蔽运输桶由屏蔽外筒、承重部件、承重内筒、压紧顶盖法兰和专用吊耳等部分组成。其中，桶底及屏蔽外筒通过不锈钢板焊接成一个中空筒形结构，中间注入铅层用于屏蔽层结构；压紧顶盖主要通过不锈钢板焊接成中空结构，用于铸铅做成屏蔽结构；承重结构及内筒主要采用0Cr19Ni19不锈钢材料锻造而成，用于和水力部件的直接接触定位及承重功能。承重结构采用8组双头螺栓与压紧顶端法兰进行连接，内筒与压紧顶端法兰采用8组双头螺栓进行连接，压紧顶端法兰和屏蔽外筒之间采用活节螺栓连接，方便进行频繁快速拆卸；桶底与承重内筒之间通过焊接连接，掉落时可依靠桶底的缓冲吸能减少对内筒的直接冲击以保护内筒的密封效果。内筒中带有漏液桶设计能够适量地接收水力部件清洗之后剩余的少量污染液体，防止辐射泄漏[15]。压紧顶端法兰盖带有凸台设计，方便加强局部结构强度与专用吊耳相连接。

　　1.2可靠性理论分析

　　本文中的水力部件重达5 800 kg，且在运输全程需要保证密封及屏蔽，故主要的承压部件需具有较好的性能以应对极端工况。结构可靠性分析主要是分析产品的综合可靠度，将随机方法(概率论和数理统计)应用于工程设计。传统的设计方法主要是选取安全系数对各部件进行设计校核，存在较大的主观设计意愿而且很大程度上依赖于设计者的工程经验[4]。可靠性分析设计方法能够利用概率论的数理方法提高产品的设计水平和质量，降低设计研发成本。在进行本结构可靠性分析时，主要以影响结构零件性能的基本变量x 1,x2,x3…,xn(如结构尺寸、材料特性等)建立极限状态函数g(x)：

　　结构可靠性分析研究的主要目标是结构强度和结构因受载产生的危险应力之间的关系，通过构建两者之间的功能函数确定整体结构的可靠性程度，由此可得应力S-强度R函数模型：

　　Z＜0表示该结构失效，则得出极限函数的概率函数进行积分便可得出结构的失效概率。由于本结构的失效形式较多且结构较复杂，得出极限函数及其与概率函数的关系较为困难，不能准确得出两者之间的显性表达式，故不能通过传统的统计学方法对该结构的可靠性进行求解。

　　在设计本结构之初，通过使用环境得出了结构的基本使用环境尺寸，即模型的参数为确定的变量，且需要考虑本结构在工作的冲击局部变形问题。为解决建立极限函数和概率函数困难的问题，采用响应面法，利用ANSYS LS-Dyna模块分析结构冲击工况，找出极大应力点并分析确定输入变量。通过DOE实验设计得出输入变量的设计参数变化区间的随机设计点，并求出设计应力与输入参数之间的映射关系[5]，计算并统计它们之间的规律。然后，通过简易近似函数进行拟合并建立响应面，本文采用响应面法中的二次多项式对该结构的极限函数进行拟合，如式(3)所示：

　　式中：n为变量个数；xi为第i个变量；a0、bi、ci、dij为二次项的待定系数。通过部分拟合响应面中的确定试验点和插值法确定未知参数，能够减少运算量，加快输入变量和输出变量之间的拟合速度[6]。本文通过分析屏蔽运输桶的结构确定4个重要的随机变量，如图1中的屏蔽外筒的厚度x1=14 mm、承重内桶的厚度x2=20 mm、承重结构侧壁厚度x3=30 mm以及整体掉落高度x4。结合结构的使用环境和应用能力可知本结构的主要失效模式是在冲击过程中导致的结构破坏和密封环境的破坏而导致的核污染物质泄漏及水力部件破坏，故本文主要以结构冲击下的最大应力为研究目标，设置DOE试验和响应面的输出变量为垂直和倾斜掉落冲击时的主体结构危险应力和最大变形。

　　2运输箱掉落冲击可靠性分析

　　2.1运输箱体掉落瞬态显性动力学分析

　　运输箱在运输过程、起吊及放置时存在一定的掉落冲击情况和风险[7]，过大的冲击会导致运输箱的屏蔽结构破坏而发生核辐射泄漏甚至导致水力部件的损伤，故本文主要针对该情况对运输箱体进行掉落冲击下的危险应力分析[8]。通过SolidWorks对运输箱体进行实体建模，并将结构数据导入至ANSYS软件的LS-Dyna模块中进行显性动力学仿真前处理[9]；添加新材料，设置整体承重结构的材料为0Cr19Ni9(304不锈钢)，弹性模量为194 020 MPa，泊松比为0.32，密度为1.94×103 kg/m3，材料屈服强度为520 MPa。对该结构进行静置状态下的称重结构应力分析，并对吊装状态下的专用吊耳进行等效应力分析并得出应力云图，最后对箱体的2种掉落状况进行分析并得出等效应力云图。图2(a)所示为垂直掉落冲击的承重内桶的应力云图。由图可知，掉落的高度为0.3 m，通过公式可求出到达地面的冲击速度为2.42 m/s；冲击产生的最大应力主要集中在侧表面且最大应力为242.7 MPa，小于结构材料的屈服强度。图2(b)所示为倾斜30°，高0.3 m的冲击下的应力云图。由图可知，最大应力为489.24 MPa且主要集中在承重内桶的底部和侧壁部分，最大应力依然小于材料的最大屈服应力，但通过上述2种冲击显示动力学分析能够判断出该结构在其理想强度下能够承受屏蔽箱体要求的掉落冲击。

　　2.2随机变量统计及响应面模型

　　由第2.1节可知，危险应力点主要集中在承重结构的侧壁段、内筒的侧壁段及内筒内侧端，故选取承重结构的侧壁厚度、内筒厚度以及边界条件掉落高度为可靠性分析的主要输入参数对运输桶进行可靠性分析。通过以往经验、制造技术的特点及结构的制造工艺可知结构尺度参数主要呈现正态分布[10]。

　　采用响应面模块的DOE试验页面对随机变量进行取样方式设置，本文采取CCD的取样方式，并求解出各取样设计点的应力[11]。图3所示为基于标准二次项函数模型下的2种冲击下的响应面函数图，根据设计点样本的求解结果建立三维响应面模型。由如图(a)可知，承重构件的厚度在一定范围内的变化将使得应力急速变大，引起结构的破坏，而一定范围的冲击高度对应力的影响较小。由图(b)可知，内桶的壁厚会引起应力的变化但该变化有一定的极限值，外筒厚度的变化对应力变化的影响有限，且厚度越大应力越小。由图(c)可知，危险应力随外筒厚度的变小而变大，冲击高度对其影响较小。由图(d)可知，承重结构与内桶的接触位置极易出现极大应力点，承重结构越大越容易引起局部应力变大，故应考虑优化连接处结构，而内桶的厚度过大或者过小都将引起危险应力的增大，降低结构的可靠度。

　　综上可知，内桶壁厚、外筒壁厚及承重结构厚度对结构有较大影响，且随尺寸变大，最大应力变小，故在后期优化设计时应主要考虑这三者的尺寸，以提高冲击的强度及结构的可靠性[12]。

　　2.3可靠性分析

　　采用ANSYS Workbench软件中的6 Sigama模块对结构的可靠性进行分析，通过响应面拟合得到的响应函数进行积分可得出相对应的应力概率(如该应力为材料强度，即结构的可靠性)[13-14]。由第2.1节知该模型材料为0Cr19Ni9(304)不锈钢，经查材料强度为520 MPa。图4所示为应力概率列表。由图可知，最大应力为516 MPa时，结构的可靠度为0.952，故可知现结构能够满足强度及可靠性的设计要求。

　　3结束语

　　本文基于ANSYS Workbench软件的LS-dyna模块对核部件运输容器屏蔽筒进行掉落冲击分析，并结合6 Sigama模块对整体结构进行冲击情况下的可靠性分析。显性动力学的分析过程得出可靠性分析的输入参数，结合可靠性分析中的灵敏分析可得出对结构应力影响最大的输入变量为承重结构、外筒、承重内桶的厚度，为后期的优化设计提供了一定参考。基于标准二次项响应面模型的构建得出了响应函数模型，通过对构建的响应面模型点进行取样，算出了该模型的整体冲击最大应力小于516 MPa的概率为95.23%(即整体结构可靠性)，为后期对整体结构的可靠性设计提供了参考。

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