海上浮動(dòng)核電站壓力容器DDAM抗沖擊計(jì)算

程方訓(xùn)，孫海軍，劉 磊

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來(lái)海上浮動(dòng)核電站快速發(fā)展，在海上運(yùn)行時(shí)不可避免會(huì)碰到?jīng)_擊問(wèn)題。平臺(tái)以及平臺(tái)上關(guān)鍵設(shè)備抵抗沖擊的能力是影響其生命力的重要因素[1]。因此對(duì)海上浮動(dòng)核電站關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行抗沖擊研究十分必要。針對(duì)艦船設(shè)備，國(guó)內(nèi)外都有各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，對(duì)不能進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行設(shè)備沖擊設(shè)計(jì)分析來(lái)驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足沖擊要求[2]。目前國(guó)內(nèi)外主流的抗沖擊設(shè)計(jì)分析方法有等效靜力法、動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法（DDAM）和設(shè)計(jì)譜法。等效靜力法基于結(jié)構(gòu)靜力分析理論，將設(shè)備部件的沖擊載荷簡(jiǎn)化為靜載荷作用進(jìn)行分析。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法則基于模態(tài)分析理論將近似線(xiàn)性的設(shè)備簡(jiǎn)化為線(xiàn)性的彈簧和質(zhì)量系統(tǒng)，輸入沖擊譜載荷進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)譜法是由設(shè)計(jì)譜轉(zhuǎn)化為等效的時(shí)域加速度曲線(xiàn)作為設(shè)備的沖擊載荷，來(lái)進(jìn)行時(shí)域求解分析[3]。DDAM方法具有成本低、分析方便等優(yōu)點(diǎn)，被各國(guó)廣泛用于艦用設(shè)備設(shè)計(jì)和評(píng)估的方法[4 – 6]。

本文將基于GJB1060.1-91[7]，采用DDAM方法對(duì)海上浮動(dòng)核電站上某壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊性能分析。

1 研究方法

1.1 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM）

動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析方法（DDAM，Dynamic Design Analysis Method）[8]，是美國(guó)海軍廣泛使用的基于沖擊壓力譜的分析方法，主要用于艦船設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)。二戰(zhàn)中大量戰(zhàn)艦在非接觸式爆炸沖擊作用下失去戰(zhàn)斗力，因此現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)進(jìn)行抗沖擊設(shè)計(jì)分析，以檢驗(yàn)設(shè)備的抗沖擊能力。DDAM是美國(guó)海軍研究所的O′Hara和Belsheim在1963年提出的，其研究人員通過(guò)大量的水下爆炸試驗(yàn)，建立了水面艦船和潛艇的DDAM沖擊設(shè)計(jì)譜。在此基礎(chǔ)上，各國(guó)軍標(biāo)或有自己的DDAM沖擊設(shè)計(jì)譜。沖擊設(shè)計(jì)譜與地震中的設(shè)計(jì)壓力譜概念相同，實(shí)質(zhì)是沖擊設(shè)計(jì)壓力譜，也是通過(guò)大量試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)為確定的用于設(shè)計(jì)的壓力譜。

表 1 設(shè)計(jì)沖擊譜值Tab. 1 The shock design spectrum

Ansys基于美軍報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了英制單位的DDAM算法，可進(jìn)行艦船設(shè)備的抗沖擊分析。若利用DDAM對(duì)不同頻率的單自由度系統(tǒng)進(jìn)行壓力譜分析，可以獲得頻率—譜值形式的沖擊設(shè)計(jì)壓力譜，此時(shí)可用單點(diǎn)壓力譜實(shí)現(xiàn)沖擊壓力譜分析，因此可以說(shuō)DDAM是單點(diǎn)壓力譜僅為基礎(chǔ)激勵(lì)時(shí)的特殊情況。

我國(guó)軍標(biāo)中對(duì)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)沖擊譜的確定也有規(guī)定，但是它采用國(guó)際單位制，不便于在Ansys 中進(jìn)行DDAM譜分析。為此需要對(duì)相應(yīng)計(jì)算公式做一些轉(zhuǎn)換。我國(guó)軍標(biāo)國(guó)際單位下轉(zhuǎn)換后的計(jì)算公式如表1所示。

1.2 分析計(jì)算步驟

根據(jù)GJB1060.1-91的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行頻域分析時(shí)必須包含設(shè)備80%以上的模態(tài)質(zhì)量。得出相應(yīng)頻率譜與模態(tài)質(zhì)量后，通過(guò)規(guī)范確定沖擊譜后加載計(jì)算。計(jì)算流程如圖1所示。

2 計(jì)算模型

2.1 模型介紹

本文研究對(duì)象為海上浮動(dòng)核電站某壓力容器，其直徑為550 mm，壁內(nèi)外均有一定厚度保溫層，壁厚10 mm。在罐身上還有吊耳、開(kāi)關(guān)閥門(mén)以及其他管路結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化建模計(jì)算，簡(jiǎn)化掉這些與本次計(jì)算無(wú)關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)。罐身本體總重550 kg，計(jì)算時(shí)，取其內(nèi)部滿(mǎn)水，即0.35 m3水量，結(jié)構(gòu)計(jì)算重量950 kg。壓力容器模型示意圖如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)

圖 1 DDAM 計(jì)算流程圖Fig. 1 DDAM calculation flow chart

圖 2 壓力容器示意圖Fig. 2 Pressure vessel diagrammatic sketch

本文模型長(zhǎng)度采用毫米為單位，質(zhì)量采用噸為單位。其中模型中平臺(tái)結(jié)構(gòu)，壓力容器結(jié)構(gòu)均采用shell181單元，采用mass21單元模擬罐中液體質(zhì)量，采用mpc184單元模擬螺栓結(jié)構(gòu)。其他鋼材均為316L鋼材料屬性。

2.3 設(shè)計(jì)沖擊譜計(jì)算

沖擊設(shè)計(jì)譜計(jì)算如下：

根據(jù)GJB1060.1規(guī)定，分析模態(tài)中所有模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量之和必須大于系統(tǒng)總質(zhì)量的80%。經(jīng)計(jì)算，最終確定設(shè)備的前80階模態(tài)對(duì)應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量之和大于總質(zhì)量80%，滿(mǎn)足規(guī)范要求。在選擇模態(tài)時(shí)，必須包含模態(tài)質(zhì)量大于系統(tǒng)質(zhì)量10%的所有模態(tài)。為了保證結(jié)果的精度和模態(tài)信息的完整性，選取模態(tài)質(zhì)量大于系統(tǒng)質(zhì)量1%的所有模態(tài)進(jìn)行分析。表2給出垂向設(shè)計(jì)沖擊譜。

表 2 垂向沖擊譜值Tab. 2 Vertical shock design spectrum

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壓力容器抗沖擊計(jì)算結(jié)果

利用Ansys進(jìn)行DDAM計(jì)算得到了壓力容器3個(gè)方向抗沖擊性能特性。圖4、圖5和圖6分別給出了橫向、縱向和垂向壓力容器整體應(yīng)力和位移云圖。表3給出了壓力容器在橫向、縱向和垂向沖擊作用下的應(yīng)力和位移結(jié)果。

圖 4 橫向沖擊應(yīng)力和位移云圖Fig. 4 Transverse impact stress and impact displacement

圖 5 縱向沖擊應(yīng)力和位移云圖Fig. 5 Longitudinal impact stress and impact displacement

圖 6 垂向沖擊應(yīng)力和位移云圖Fig. 6 Vertical impact stress and impact displacement

為了分析斜向支撐對(duì)壓力容器抗沖擊的影響，將其厚度增加4 mm，對(duì)壓力容器再次進(jìn)行DDAM抗沖擊計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)表3可知壓力容器在受到縱向和垂向沖擊時(shí)，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力均沒(méi)有超出其屈服極限，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度要求；在受到橫向沖擊時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力，應(yīng)加強(qiáng)壓力容器在橫向的抗沖擊能力。

表 3 壓力容器應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果Tab. 3 The stress and displacement of Pressure vessel

表 4 壓力容器應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果Tab. 4 The stress and displacement of Pressurevessel

根據(jù)3個(gè)方向計(jì)算結(jié)果可知，壓力容器在受到?jīng)_擊時(shí)，斜向支撐和三角支撐等支撐處應(yīng)力較大，壓力容器本身應(yīng)力不大，因此壓力容器的支撐件是其抗沖擊的薄弱環(huán)節(jié)，需提高支撐件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

根據(jù)表4可知，在加厚壓力容器的斜向支撐后，橫向和縱向沖擊應(yīng)力均有減小，對(duì)垂向沖擊應(yīng)力影響不大；橫向沖擊應(yīng)力減幅最大，因此斜向支撐對(duì)提高壓力容器橫向抗沖擊能力有很大的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

海上浮動(dòng)核電站上一些關(guān)鍵設(shè)備由于試驗(yàn)條件、經(jīng)費(fèi)等原因不能進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，需要進(jìn)行沖擊設(shè)計(jì)分析來(lái)驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足抗沖擊要求。本文利用Ansys軟件對(duì)海上浮動(dòng)核電站壓力容器進(jìn)行DDAM抗沖擊分析計(jì)算，得到了壓力容器的抗沖擊特性。這種方法對(duì)工程技術(shù)人員進(jìn)行海上浮動(dòng)核電站關(guān)鍵設(shè)備抗沖擊性能分析有一定的借鑒意義。