基于ANSYS／LS-DYNA的抗飛機撞擊結構非線性動力分析

李忠誠，黃 濤

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳518029）

基于ANSYS／LS-DYNA的抗飛機撞擊結構非線性動力分析

李忠誠，黃 濤

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳518029）

APC殼是核電站抵御飛機撞擊的主要屏障，本文運用非線性有限元程序LS-DYNA對某核電站燃料廠房APC殼進行了分離式建模，并對大型商用飛機的撞擊進行了數值計算，對APC殼的動力響應及彈塑性特性進行了研究分析，提出了大型商用飛機撞擊局部效應的觀點，為APC殼的設計計算提供參考。

大型商用飛機；撞擊APC殼；數值仿真；動力分析

核電作為重要的清潔能源已在全世界范圍內得到了廣泛應用，由于核電廠事故的后果往往是災難性的因而其安全性一直受到各國的高度重視。自“9·11”事件以來，核電站遭受大型商用飛機撞擊的問題成為公眾和研究者關注的焦點，抗飛機撞擊結構（APC殼）作為核電站抵抗飛機撞擊的主要屏障，是核電廠主要防護結構之一，由鋼筋混凝土制成。美國聯邦法規［1］明確要求新建核電站設計時需要考慮大型商用飛機的撞擊。

國內外對鋼筋混凝土結構的動力分析研究以及混凝土材料在強沖擊荷載下的動力特性研究進行了大量的工作。Tetsuo Shirai等［2］對雙層鋼筋混凝土板在沖擊荷載作用下的試驗和數值計算進行了研究，得到雙層鋼筋混凝土板比單層板的抗沖擊性能要好，另外采用高強度混凝土可以提高抗沖擊性能。Buchhardt［3］對飛機撞擊下材料的非線性和阻尼之間的相互作用進行了分析研究。汪泰鈞［4］對飛機撞擊下的結構整體響應進行了分析，并簡述了一些實用的計算方法和相應的構造措施，總結了飛機撞擊效應的實用計算公式。金華等［5］采用有限元法對核電廠安全殼在飛機撞擊下的軸對稱彈塑性動力分析進行了研究，給出了結構在飛機荷載作用下結構塑性區擴展情況及彈性和彈塑性響應曲線。Akram Abu-Odeh［6］開展了鋼筋混凝土的動力沖擊實驗分析，并運用LS-DYNA材料庫中不同的本構模型進行了數值模擬。

本文分析采用通用有限元軟件LS-DYNA建立有限元實體模型，鋼筋混凝土采用分離式建模，著重對APC殼墻體在大型商用飛機作用下整體的彈塑性響應進行了計算分析，并對局部效應進行了描述。

1 APC殼結構概述

APC殼結構是核電站抵抗飛機撞擊的主要屏障，主要用于保護核級設備、系統或構筑物，保證核電站在飛機撞擊下能夠安全停堆和放射性泄露不超過允許標準。APC殼結構具有跨度大、墻體無水平和縱向支撐、厚度大等特點，并且APC殼結構獨立于廠房結構，對廠房結構形成包圍起到屏蔽防護作用。APC殼結構主要通過大跨度結構的變形和材料的局部破壞來吸收飛機撞擊能量，在保證結構不產生整體破壞的情況下APC殼結構和廠房之間設置有足夠的間隙，同時通過采用等級高的混凝土和鋼筋以提高結構的抗飛機撞擊能力。

燃料廠房內設有乏燃料水池、儲存著大量乏燃料，因此，燃料廠房結構的設計應考慮大型商用飛機的撞擊，可以通過設置APC殼墻體抵抗飛機的撞擊。以某核電站為例，燃料廠房的APC殼墻體布置圖如圖1所示。

圖1 燃料廠房APC殼結構布置圖Fig．1 Layout of APC shell-Fuel Building

2 有限元計算模型

本報告選取燃料廠房APC殼結構作為計算分析的模型，APC結構的3D有限元模型如圖2～圖4所示，混凝土采用實體單元Solid164模擬，鋼筋采用梁單元Beam161模擬，鋼筋分兩層布置在外墻內外兩側。有限元模型共有353 997個節點和247 848個單元，其中實體單元為178 788，梁單元為69 060。

圖2 3D有限元模型45度軸側視圖Fig．2 45 Degree Axis Side Elevation of 3D FE-model

圖3 3D有限元模型135度軸側視圖Fig．3 135 Degree Axis Side Elevation of 3D FE-model

圖4 外墻鋼筋有限元模型側視圖Fig．4 FE-Model of Outer Wall Reinforcement Side Elevation

計算模型的約束和飛機荷載的作用示意圖如圖5和圖6所示。大型商用飛機的荷載通過考慮飛機的質量分布、剛度分布和撞擊速度，運用RIERA方法［7］獲取，其荷載分為兩部分，一部分是準圓柱形結構的機身，其剛度和質量分布幾乎保持不變，產生的荷載為65 MN，持續時間約為280 ms，作用區域為機身的圓形區域；一部分是機翼和發動機，撞擊時產生一個突加荷載，峰值荷載達到185 MN，持續時間為40 ms，作用區域為兩側發動機之間等效矩形區域。

圖5 有限元模型邊界條件Fig．5 Support Conditions FE-Model

圖6 大型商用飛機撞擊位置Fig．6 Impact Location of Large Commercial Aircraft

3 材料模型

混凝土材料選用C50，鋼筋材料選用HRB500。由于飛機撞擊屬于高速沖擊，材料在高應變率下會發生應力強化，需考慮材料強度的動力增大系數。另外材料分項系數為γc＝γs＝1．0，則混凝土壓縮強度：

假定混凝土材料是各向同性和均勻的材料，一般考慮兩種情況的失效，壓碎和拉裂。為計算整體的動力響應，選取混凝土材料模型為雙線性模型。屈服極限等于壓縮強度，在屈服點的壓縮應變為1 350 u，當壓力達到極限拉伸強度時拉伸應力快速的降為0。混凝土材料在拉伸和壓縮作用下的單軸應力應變曲線如圖7所示。

鋼筋在單軸拉壓作用下表現出一種理想彈塑性性能，假定鋼筋和混凝土之間保持良好的粘接和錨固，不考慮兩者之間的滑移。可以選取鋼筋單元與混凝土單元約束的方式來模擬鋼筋混凝土。鋼筋材料在拉伸和壓縮作用下的單

圖7 混凝土材料在拉伸和壓縮作用下的單軸應力應變曲線Fig．7 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Concrete in Tension and Compression

軸應力應變曲線如圖8所示。

圖8 鋼筋材料在拉伸和壓縮作用下的單軸應力應變曲線Fig．8 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Reinforcement in Tension and Compression

4 計算結果分析

大型商用飛機撞擊核電站具有作用時間短、沖擊荷載大等特點，本文以大型商用飛機以撞擊力-時間函數來模擬飛機的撞擊，力-時間函數充分考慮了不同時間段飛機不同部位與墻體的接觸。在撞擊的初始階段，慣性效應明顯，需要考慮應力波的傳播效應，同時由于墻體的跨度遠大于墻體的厚度（飛機撞擊方向），應力波在撞擊方向的傳播所需要的時間比起荷載作用的時間要短得多，因此，應力波傳播的現象很快就會消失，結構的彈塑性動力響應主要表現為結構的（彎曲）變形隨時間的變化。

4.1 計算節點選擇

選擇撞擊區域及附近的節點來分析墻體局部在飛機荷載作用下的動力響應，節點位置如圖9所示。選擇撞擊區域、遠離撞擊區域及其他墻體或樓板的節點來分析廠房整體在飛機荷載作用下的動力響應。節點位置如圖10所示。

圖9 外墻位移曲線輸出節點位置示意圖Fig．9 Selected Node Numbers for Output Data

4.2 結構的位移響應

在飛機荷載作用下結構的最大位移為56．54 cm，位移云圖如圖11所示。選擇計算節點的位移曲線如圖12和圖13所示。位移曲線表明隨著荷載的增加位移值不斷增大，由于沖擊過程中的慣性效應，位移曲線比荷載曲線稍稍滯后，即在最大荷載出現后位移才達到最大值，卸載后，結構彈性變形部分位移得到恢復，塑性變形部分值比較大。另外撞擊中心和撞擊區域附近的節點位移隨著荷載的增加，差距越大。

圖11 結構343．97 ms時最大水平位移為56．54 cmFig．11 Maximum displacement at 343．79 ms with v＝56．45 cm

圖12 外墻豎向節點位移時程曲線Fig．12 Time History of Displacements of Vertical Node

圖13 外墻水平向節點位移時程曲線Fig．13 Time History of Displacements of Horizontal Node

廠房結構位移值較大的區域在撞擊區域，離撞擊區域越遠，結構的位移響應越小。選取結構不同部位的節點，包括撞擊區域內節點、撞擊區域附近節點、撞擊區域外節點及遠離撞擊區域的節點（其他墻體上的節點）的位移-時間曲線如圖14和圖15所示，可知撞擊區域內的位移峰值遠大于遠離撞擊區域的位移峰值，且變化梯度較大，而遠離撞擊區域的變化梯度較小。

圖14 墻體不同部位節點的動力響應（Y向位移曲線圖）Fig．14 the Dynamical Response of Node in Different Locations of Walls

圖15 墻體不同部位節點的動力響應（Y向位移曲線圖）Fig．15 the Dynamical Response of Node in Different Locations of Walls

4.3 結構的強度

結構撞擊區域材料已屈服，混凝土材料出現崩落、裂紋等局部現象。外墻外層鋼筋的應力云圖如圖17所示，鋼筋局部屈服，發生塑性變形，外層鋼筋的應變云圖如圖18所示，鋼筋的最大軸向應變值為26．82‰，小于鋼筋的極限應變50%。混凝土在0．192 s時的應力云圖如圖19所示，撞擊區域出現屈服，同時在墻體靠近撞擊區域的洞口角隅處材料屈服。隨著荷載的增加，結構應力不斷增大，但是對于非撞擊墻體結構一直處于低應力水平。另外墻體洞口角隅處產生應力集中現象，因此在進行結構設計時需要在洞口外圍設置防護罩，減少撞擊引起的洞口處局部應力增大，防止洞口角隅處開裂。

圖17 外墻外層鋼筋軸向應力云圖Fig．17 Axis Stress Nephogram of Outer Wall Reinforcement

圖18 外墻外層鋼筋軸向應變云圖Fig．18 Axis Strain Nephogram of Outer Wall Reinforcement

圖19 0．192 s結構的應力云圖Fig．19 Structure Stress Nephogram on 0．192 s

4.4 結果比較

將計算結果中的主要指標墻體最大水平位移值和鋼筋最大應變值與某在建核電項目計算結果進行比較，如表1和表2所列。

表1 墻體最大水平位移值及對應時刻列表Table 1 the Largest Horizontal Displacement Value of Walls and Responding Time List

表2 鋼筋最大軸向應變值列表Table 2 the Largest Axis Strain Value List of Reinforcement

根據上表的對比可知數值計算結果與項目結果基本吻合。同時結果也存在一定的差異，數值計算結果與項目結果相比位移峰值超出3．56%，出現的時刻稍稍滯后。主要由于在數值模擬過程中混凝土材料模型選擇的差異以及阻尼的影響，另外項目計算中鋼筋采用面單元進行模擬，本課題采用梁單元進行模擬，鋼筋的分布和位置有一定的差別。

5 結論

1．采用大型商用飛機力-時間函數撞擊APC殼墻體進行數值計算分析，計算結果表明，燃料廠房APC墻體能夠抵抗大型商用飛機的撞擊。

2．經過對結構的彈塑性分析表明，大型商用飛機撞擊局部影響明顯，對遠離撞擊區域的結構無影響或影響較小。

3．根據計算分析，對于受撞擊墻體洞口區域，易產生應力集中，需對局部區域進行進一步的防護，如采用防護罩等措施。

4．本課題在進行大型商用飛機撞擊核電站研究過程中，飛機撞擊APC殼的計算采用的是一個近似力函數，并未考慮飛機實體對APC殼的影響，也未考慮飛機實體與APC殼的接觸對計算精度的影響性。更真實的數值仿真還需重新對飛機結構簡化模型或實體模型對APC殼的撞擊進行進一步的研究。

［1］ 美國聯邦法規．10 CFR 50 Section 50．150 Aircraft Impact Assessment，2009．

［2］ Tetsuo Shirai，Atsushi Kambayashi，Tomonori Ohno．Experiment and numerical simulation of double-layered RC plates under impact loadings．Nuclear Engineering and Design 1997，176：195-205．

［3］ Buchhardt F．et al，Interactions Between Material Nonlinearity and Damaping for Aircraft Impact Loading．in 5th SMiRT Conference，Berlin，1979，9／1．

［4］ 汪泰鈞．核電站選址及設計過程中對飛機墜毀事件的考慮［J］．核動力工程，1992，13（2）．

［5］ 金華，翁智遠，王遠功．核電廠安全殼頂蓋在飛機撞擊下的軸對稱彈塑性動力分析［J］．震動與沖擊，1993，2．

［6］ Akram Abu-Odeh，Modeling and Simulation of Bogie Impacts on Concrete Bridge Rails Using LS-DYNA．10thInternational LS-DYNA Users Conference．

［7］ Jorge D Riera． On the Stress Analysis of Structures Subjected to Aircraft Impact Forces．Nuclear Engineering and Design 8（1968）415-426．

Nonlinear Dynamic Analysis of Air Plane Crash shell based on ANSYS／LS-DYNA

LI Zhong-cheng，HUANG Tao
（China Nuclear Power Engineering Company Ltd．，Shenzhen Guangdong，518057，China）

APC shell is a important barrier of protection agaist Airplane Crash． This paper describes global nonlinear analysis on the 3D-solid APC model embedded with reinforced based on LS-DYNA program．The numerical implementation of large commercial airplane crash is conducted．Dynamic responses and elastoplastic character of APC shell structure are studied．Local effect view with large commercial airplane crash is put forward．The calculation result can provide reference for design of APC shell．

large commercial airplane；impact；air plane crash shell；numerical implementation；dynamic analysis

TM623

A

0258-0918（2016）02-0147-07

2015-6-28

黃 濤（1983—），男，工程師，碩士，從事核島廠房土建計算分析工作