AP1000安全殼在大型商用飛機(jī)撞擊下的動力響應(yīng)分析

汪大洋， 汪秀清， 楊 強(qiáng)， 張永山， 吳成清

(1. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006; 2. 悉尼科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，悉尼 2007)

核能作為一種清潔且高效的重要能源，已經(jīng)成為電力工業(yè)發(fā)展一種必然趨勢。然而，隨著恐怖襲擊的日益猖獗和現(xiàn)役飛機(jī)數(shù)量的迅速增加，核電廠正面臨越來越多的蓄意和意外飛機(jī)撞擊威脅。特別是“9·11”事件以來，大型商用飛機(jī)對核電站的撞擊成為關(guān)注焦點(diǎn)，我國國家核安全局發(fā)布HAF 102—2016《核動力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[1]明確要求核電站考慮商用飛機(jī)惡意撞擊。核電安全殼是核燃料反應(yīng)堆最后一道安全屏障，其重要性不言而喻。

在試驗(yàn)研究方面，1993年美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室同日本Kobori研究所聯(lián)合進(jìn)行F4“鬼怪式”戰(zhàn)斗機(jī)原型撞擊鋼筋混凝土厚板試驗(yàn)[2-4]，得到飛機(jī)沖擊平面靶板的撞擊力時(shí)程曲線，將其同利用Riera模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了Riera模型的正確性，該試驗(yàn)也是全球目前唯一一個(gè)足尺模型試驗(yàn)。孔建偉等[5]將CPR1000核電站安全殼作為研究對象，設(shè)計(jì)了1/20安全殼模型，采用16 kg混凝土塊模擬質(zhì)量為13 t的新舟600客機(jī)，用質(zhì)量為140 kg的鐵制圓筒模擬質(zhì)量為40 t的波音737-800客機(jī)，研究了飛機(jī)模型撞擊下安全殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和損傷破壞現(xiàn)象及其過程。

在仿真研究方面，左家紅等[6-7]采用ADINA軟件對秦山核電站進(jìn)行了動力響應(yīng)分析研究，討論了安全殼撞擊區(qū)域的非線性行為。Kukreja[8]對PHWR核電站的雙層安全殼進(jìn)行了簡化非耦合數(shù)值模擬，結(jié)果表明該安全殼有足夠的承載能力來抵御B707-320和A300B4-200飛機(jī)撞擊。Iqbal等[9]和Sadique等[10]采用ABAQUS軟件建立了1.2 m厚鋼筋混凝土安全殼有限元模型，分別將5種不同飛機(jī)的撞擊荷載時(shí)程曲線直接加載到安全殼結(jié)構(gòu)上，研究分析了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。曹健偉等[11-14]建立了新舟MA600飛機(jī)、空客A320飛機(jī)和預(yù)應(yīng)力鋼束鋼筋混凝土安全殼有限元模型，開展了耦合與非耦合有限元仿真研究。本文課題組針對AP1000核電站結(jié)構(gòu)的地震動性能展開了相關(guān)研究[15-18]，對其安全殼結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能有較深入理解。

由于試驗(yàn)復(fù)雜、費(fèi)用巨大，試驗(yàn)研究難以對大型商用飛機(jī)撞擊下的核安全殼的整體動力響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析。隨著有限元快速發(fā)展，數(shù)值模擬成為一條重要研究途徑，并取得了較多的成果。本文以波音737 MAX 8大型商用飛機(jī)和AP1000安全殼為研究對象，進(jìn)行安全殼在不同初始撞擊速度和撞擊高度下的動力響應(yīng)分析，研究安全殼的損傷破壞機(jī)理，其結(jié)果可為后續(xù)安全評估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型

1.1 AP1000安全殼

根據(jù)西屋電氣公司關(guān)于AP1000的設(shè)計(jì)文件和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有AP1000安全殼結(jié)構(gòu)[19]進(jìn)行建模，AP1000安全殼是一個(gè)自由直立的圓柱形鋼制容器，帶有橢球形的上封頭和下封頭。鋼制安全殼容器被完全包容在一個(gè)混凝土屏蔽體中。直徑39.62 m，總高度65.63 m，其中圓柱形筒壁高度54.16 m(地下部分為12 m)，圓形穹頂高度11.47 m。圓柱形筒壁鋼板厚度44.45 mm，圓頂鋼板厚度41.27 mm，如圖1所示。

圖1 安全殼有限元模型及網(wǎng)格劃分(m)Fig.1 Finite element model of containment and meshing(m)

采用殼單元(SHELL163)仿真建模，單元厚度為結(jié)構(gòu)各部分實(shí)際厚度。單元尺寸統(tǒng)一500 mm×500 mm，單元總數(shù)55 808。鋼制安全殼SA738-B型鋼材，密度7 870 kg/m3，彈性模量2.0×105MPa，泊松比0.2，屈服應(yīng)力415 MPa，切線模量1.0×103MPa[20-21]。鋼材本構(gòu)模型選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，在關(guān)鍵字文件中打開應(yīng)變率。在飛機(jī)撞擊安全殼過程中使用*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE模擬飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和引擎部件與安全殼之間的接觸，罰函數(shù)系數(shù)取1.0確保合理接觸。通過關(guān)鍵字文件*HOURGLASS在不同部件(*PART)上執(zhí)行沙漏控制。

1.2 波音737 MAX 8飛機(jī)

波音 737 MAX 8[22]總質(zhì)量約80 t，其中兩臺引擎質(zhì)量約10 t。總長度約39 m，翼展長度約36 m，機(jī)身直徑約3.88 m，如圖2和圖3所示。由于文件資料有限，故現(xiàn)根據(jù)已經(jīng)掌握的設(shè)計(jì)文件資料對飛機(jī)模型進(jìn)行簡化：①幾何形狀與實(shí)際飛機(jī)相同；②考慮飛機(jī)蒙皮等主要結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身、機(jī)翼和引擎，所有尺寸均與實(shí)際相同，未考慮飛機(jī)內(nèi)部連接和構(gòu)造；③僅建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型，未考慮飛機(jī)燃料、貨物和乘員狀況。

采用殼單元(SHELL163)對飛機(jī)建模，采用MATLAB軟件計(jì)算飛機(jī)幾何模型機(jī)身、機(jī)翼及引擎的面積，再根據(jù)飛機(jī)材料密度，求得機(jī)身殼單元厚度約為32 mm，左右大翼殼單元厚度約為36 mm，引擎殼單元厚度取19 mm。Boeing 737 MAX 8飛機(jī)引擎為超級鋼材料，機(jī)身與機(jī)翼為鋁合金材料。飛機(jī)材料本構(gòu)模型均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，考慮了材料失效、塑性流動，模擬金屬材料在撞擊過程中的動力響應(yīng)，其具體的材料參數(shù)如表1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]對材料失效應(yīng)變分析，確定機(jī)身鋁合金材料的失效應(yīng)變?yōu)?.05，機(jī)翼鋁合金為0.01，引擎超級鋼為0.1。單元尺寸統(tǒng)一為500 mm×500 mm，單元總數(shù)3 459個(gè)，其中鋁合金材料單元個(gè)數(shù)3 075，超級鋼384個(gè)。飛機(jī)各部件之間采用共節(jié)點(diǎn)處理。

圖2 波音737外形及幾何尺寸(cm)Fig.2 Shape and geometric of Boeing 737 (cm)

圖3 波音737 MAX 8Fig.3 Boeing 737 MAX 8

表1 飛機(jī)材料參數(shù)Tab.1 Aircraft material parameters

2 基于Riera法的飛機(jī)模型驗(yàn)證

首先通過Riera法計(jì)算得到大型商用飛機(jī)波音737 MAX 8撞擊剛性墻的撞擊力時(shí)程曲線和沖量時(shí)程曲線，然后利用ANSYS/LS-DYNA建立飛機(jī)和剛性墻模型并進(jìn)行撞擊過程仿真，最后對比分析撞擊力的理論數(shù)值模擬結(jié)果來驗(yàn)證飛機(jī)有限元模型的準(zhǔn)確性。

2.1 Riera法計(jì)算撞擊力

設(shè)t=0開始撞擊剛性墻，在t時(shí)刻速度為V(t)，質(zhì)量為M(t)，機(jī)頭到壓碎位置距離X(t)，飛機(jī)質(zhì)量密度μ[X(t)]。由動量定理可得撞擊力F(t)計(jì)算公式

(1)

假設(shè)Pc(X)為飛機(jī)壓碎力，在撞擊處由于假定飛機(jī)材料為剛塑性，因此撞擊處材料一維桿內(nèi)力為Pc(X)，并對未撞碎區(qū)域取隔離體，由牛頓第二定律可得

Pc(X)=M(t)a(t)

(2)

因此Riera法可寫成

P(t)=Pc[X(t)]+μ[X(t)]V2(t)

(3)

式中：P(t)飛機(jī)總撞擊力；Pc[X(t)]飛機(jī)在該位置壓碎力；μ[X(t)]飛機(jī)單位長度質(zhì)量，不考慮撞擊過程質(zhì)量損失；V(t)飛機(jī)未壓碎部分剩余速度。

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，飛機(jī)初始撞擊速度取200 m/s，μ為1。Riera法理論計(jì)算出的撞擊力曲線，如圖4所示。

圖4 Riera法理論計(jì)算結(jié)果Fig.4 Theoretical calculation result of Riera

2.2 基于Riera法的飛機(jī)模型驗(yàn)證

飛機(jī)初始撞擊速度200 m/s，飛機(jī)垂直撞擊剛性墻。有限元模型如圖5所示，在墻體中心位置進(jìn)行撞擊，考慮飛機(jī)翼展長度和撞擊區(qū)域的長度，墻體長度和寬度均取50 m，厚3.5 m，墻體四周固定約束。采用實(shí)體單元SOLID164建模。在墻體長和寬度方向上，單元尺寸取500 mm，厚度方向等分10份。墻體為素混凝土，在ANSYS/LS-DYNA軟件中采用關(guān)鍵字文件*DEFORMABLE_TO_RIGID將墻體定義為剛性墻。

圖5 飛機(jī)撞擊剛性墻有限元模型(m)Fig.5 Finite element model of impacting the rigid wall(m)

Riera法理論和仿真結(jié)果對比，如圖6所示。對比分析可得，兩者的飛機(jī)撞擊力時(shí)程曲線和沖量時(shí)程曲線的趨勢基本一致，且飛機(jī)撞擊力峰值最大誤差為1.11%，飛機(jī)沖量最大誤差為3.73%。可知，所建模型和相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的，可以用于后續(xù)分析。

圖6 Riera法理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較Fig.6 Results comparison between Riera’s theoretical calculation and numerical simulation

3 撞擊計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)目前民航飛機(jī)在起飛和著陸的所有速度及現(xiàn)有飛機(jī)墜毀記錄，飛行速度約100 m/s。波音737 MAX 8巡航速度約233 m/s。考慮到飛機(jī)墜毀、劫機(jī)或恐怖襲擊時(shí)的蓄意撞擊，將飛機(jī)初始撞擊速度設(shè)為100 m/s，150 m/s，200 m/s，250 m/s和300 m/s。同時(shí)為研究撞擊高度對安全殼動力響應(yīng)的影響，撞擊高度設(shè)為P1(30 m)、P2(39 m)、P3(47 m)、P4(54 m)、P5(65 m)，其中：P1(30 m)和P3(47 m)分別為鋼安全殼內(nèi)部等效鋼梁筒身處，P2(39 m)為兩個(gè)等效鋼梁之間的非等效鋼梁筒身處，P4(54 m)為安全殼筒身與穹頂交界處，P5(65 m)為安全殼穹頂位置，如圖7所示。飛機(jī)撞擊工況表如表2所示。撞擊全過程分4個(gè)階段：第一階段，機(jī)頭和前部機(jī)身；第二階段，中部機(jī)身、引擎和機(jī)翼；第三階段，中部機(jī)身和機(jī)翼；第四階段，后部機(jī)身和尾翼。依次定義為T1、T2、T3、T4，同時(shí)將撞擊末時(shí)刻定義為T5。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，僅考慮計(jì)算單側(cè)撞擊面的撞擊作用，由于撞擊速度不同，飛機(jī)撞擊單側(cè)面的作用時(shí)間依次定義為0.40 s，0.35 s，0.25 s,0.20 s,0.15 s。

圖7 撞擊位置及撞擊階段示意圖Fig.7 Diagram of impact position and impact stage

表2 工況表Tab.2 Investigation cases

3.1 飛機(jī)動力響應(yīng)分析

3.1.1 飛機(jī)撞擊破壞現(xiàn)象

由圖8(a)可以看出P3V1工況中的飛機(jī)撞擊破壞現(xiàn)象。在t=0.08 s時(shí)，飛機(jī)機(jī)頭撞擊到安全殼壓屈破壞，后面的主要機(jī)身以及引擎和機(jī)翼未發(fā)生明顯的變形，機(jī)身未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.16 s時(shí)，飛機(jī)引擎撞擊到安全殼，機(jī)身后面的部位未發(fā)生明顯的變形，飛機(jī)機(jī)身亦未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.24 s時(shí)，飛機(jī)的進(jìn)一步破壞，引擎變形加大且已與機(jī)翼分離，靠近機(jī)身的機(jī)翼根部已經(jīng)完全壓屈破壞，飛機(jī)機(jī)身未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.32 s時(shí)，飛機(jī)剩余的機(jī)身未進(jìn)一步破壞，但靠近機(jī)身的機(jī)翼根部已經(jīng)完全破壞，飛機(jī)機(jī)翼尾的尾部發(fā)生斷裂飛出，分布在安全殼兩側(cè)，引擎破壞情況沒有明顯加劇，但是其發(fā)生翻轉(zhuǎn)，剩余飛機(jī)機(jī)身未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.40 s時(shí)，飛機(jī)剩余的機(jī)身仍未進(jìn)一步發(fā)生破壞且未進(jìn)入安全殼內(nèi)部，剩余的引擎和機(jī)翼部分在安全殼外部發(fā)生了反彈；由圖8(b)可以看出，P4V1工況中的飛機(jī)撞擊破壞現(xiàn)象，在t=0.08 s時(shí)，機(jī)頭已經(jīng)進(jìn)入安全殼內(nèi)部且機(jī)身未發(fā)生明顯變形，從t=0.16～0.32 s，機(jī)身繼續(xù)進(jìn)入安全殼，此時(shí)飛機(jī)引擎和機(jī)翼也完成了撞擊，引擎完全破壞，靠近機(jī)身的機(jī)翼機(jī)翼根部進(jìn)入安全殼內(nèi)部，機(jī)翼尾部沿安全殼兩側(cè)飛行；由圖8(c)可以看出P5V1工況中的飛機(jī)撞擊破壞現(xiàn)象。在t=0.08 s,t=0.16 s和t=0.24 s時(shí)，飛機(jī)未發(fā)生明顯變形，都是從安全殼穹頂外側(cè)飛過，未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.32 s時(shí)，靠近引擎的部分機(jī)翼發(fā)生變形，其他部位未發(fā)生明顯變形，飛機(jī)仍未進(jìn)入安全殼內(nèi)部；在t=0.40 s時(shí)，飛機(jī)引擎發(fā)生變形，機(jī)翼的變形加大，飛機(jī)機(jī)身未見明顯變形，飛機(jī)未進(jìn)入安全殼內(nèi)部，以上三種工況的飛機(jī)破壞現(xiàn)象為飛機(jī)撞擊的典型現(xiàn)象。

3.1.2 飛機(jī)撞擊力

飛機(jī)撞擊力時(shí)程曲線如圖9(a)～圖9(e)所示。可知，在整個(gè)撞擊過程中，撞擊力呈先增大后減小趨勢。在不同撞擊速度下整個(gè)過程都可分為4個(gè)階段，①T1-T2撞擊階段，撞擊作用較為穩(wěn)定，撞擊力在某個(gè)值附近波動；②T2-T3撞擊階段，撞擊力突然顯著增大，圖中曲線的斜率接近90°，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到撞擊力峰值，各個(gè)初始撞擊速度下等效鋼梁筒身處和非等效鋼梁筒身處撞擊力峰值相較于第一階段都增大3～4倍；③T3-T4當(dāng)引擎完成撞擊，僅有中部機(jī)身和剩余機(jī)翼與安全殼發(fā)生撞擊，撞擊力明顯減小；④T4-T5撞擊力曲線保持穩(wěn)定波動，該時(shí)間段內(nèi)與安全殼發(fā)生撞擊的飛機(jī)部位為僅為后部機(jī)身。值得一提的是，P5位置處飛機(jī)與安全殼之間接觸非垂直作用，飛機(jī)在撞擊安全殼后飛行方向發(fā)生了向頂上偏移，與安全殼間的撞擊作用較小，因此沒有上述現(xiàn)象的發(fā)生。

圖9(f)給出了所有工況下的飛機(jī)撞擊力峰值。由圖可知，各個(gè)位置下撞擊力峰值隨著速度的增加呈線性增加，對于筒身來說，P1位置撞擊力峰值增加幅度為20%,23%,38%,73%，P2位置處撞擊力峰值增加幅度為71%,78%,106%,150%。不同初始撞擊速度下，筒身等效鋼梁和非等效鋼梁處的撞擊力峰值差異有所不同，當(dāng)速度為150 m/s時(shí)，P3處撞擊力峰值比P2處大17%，在初始撞擊速度為300 m/s時(shí)，筒身等效鋼梁處P1和P3撞擊峰值最大值達(dá)到了221.2 MN較筒身非等效鋼梁P2處大30%，P4處大71%，P2和P4處的差異是由于P4位置處于筒身和穹頂?shù)慕唤缣帲?dāng)飛機(jī)撞擊時(shí)接觸情況不同所導(dǎo)致。

圖8 飛機(jī)撞擊破壞現(xiàn)象Fig.8 Aircraft crash damage

圖9 飛機(jī)撞擊力時(shí)程曲線及撞擊力峰值比較Fig.9 Aircraft impact force-time history curve and comparison of maximum impact force

3.1.3 飛機(jī)動能分析

飛機(jī)動能時(shí)程曲線如圖10(a)～圖10(e)所示，對應(yīng)不同初始撞擊速度和撞擊高度下的撞擊末時(shí)刻的動能比較如圖10(f)所示。由圖可知，對于筒身來說，當(dāng)初始撞擊速度相同時(shí)，筒身安全殼鋼梁位置(P1和P3)處的動能變化曲線幾乎重合，在速度小于或等于200 m/s時(shí)，動能在撞擊末時(shí)刻都幾乎降為0，且動能損失速度要明顯快于非鋼梁位置(P2和P4)，P4位置在速度達(dá)到150 m/s時(shí)，末時(shí)刻仍有3×108N·m動能，當(dāng)初始撞擊速度達(dá)到300 m/s時(shí)，筒身等效鋼梁處兩條曲線幾乎重合仍保持較快的動能損失，但筒身非等效鋼梁處幾乎和穹頂P5位置的曲線重合，說明該速度下筒身非等效鋼梁處對飛機(jī)的阻礙作用非常小，以上都說明等效鋼梁對于飛機(jī)的撞擊有較好的抵抗效果。對于穹頂來說，飛機(jī)與安全殼接觸面之間非垂直作用，與安全殼間的撞擊作用較小，飛機(jī)有一定的速度損失，但在撞擊末時(shí)刻仍能夠離開安全殼上空繼續(xù)飛行。由圖10(f)撞擊末時(shí)刻T5動能隨初始撞擊速度的變化情況也可以得到，筒身等效鋼梁處對飛機(jī)的抵抗效果是最好的，在速度為300 m/s時(shí)，T5時(shí)刻飛機(jī)撞擊筒身等效鋼梁處的動能僅為其他撞擊位置處的1/2。

圖10 飛機(jī)動能時(shí)程曲線及T5時(shí)刻動能比較Fig.10 Aircraft kinetic energy-time history curve and kinetic energy comparison at T5

3.2 安全殼位移響應(yīng)及撞擊區(qū)域破壞情況分析

3.2.1 位移響應(yīng)分析

圖11給出了不同初始撞擊速度和撞擊高度下，飛機(jī)撞擊面沿安全殼高度分布的飛機(jī)撞擊方向上水平位移峰值。由圖11可知，在不同初始撞擊速度和撞擊高度下AP1000安全殼正面外壁水平向位移峰值均在各工況的飛機(jī)撞擊所在位置處出現(xiàn)最大值，且隨著初始撞擊速度的增加而增大，其上下相鄰高度處的正面外壁水平向位移峰值也均大于其他位置處，隨著遠(yuǎn)離撞擊中心，撞擊位移逐漸衰減。在初始撞擊速度小于等于150 m/s時(shí)，安全殼筒身等效鋼梁部位P1(30 m)和P3(47 m)的撞擊位移較小，最大只有1.62 m，筒身非等效鋼梁處P2(39 m)和P4(54 m)的撞擊位移較大，最大達(dá)到6.1 m，為前者的3.8倍。而當(dāng)速度增加到200 m/s，情況正好相反，等效鋼梁處P1和P3的撞擊位移發(fā)生激增，30 m處的撞擊位移最大達(dá)到了12.6 m。撞擊穹頂處所有計(jì)算工況下的安全殼正面外壁水平向位移峰值在結(jié)構(gòu)高度60 m及以內(nèi)保持在很小值且均小于其他所有計(jì)算工況，可見此時(shí)安全殼撞擊位置以下的安全殼筒體外壁沿飛機(jī)撞擊方向未發(fā)生明顯位移。

3.2.2 撞擊區(qū)域破壞情況分析

安全殼在撞擊區(qū)域的貫穿尺寸是安全殼動力響應(yīng)和破壞情況的最直觀反映。安全殼的具體環(huán)向和豎向貫穿尺寸結(jié)果，分別如表3和表4所示。部分工況撞擊的安全殼撞擊區(qū)域破壞情況圖示，如圖12所示。結(jié)果分析表明，在撞擊高度為65 m的所有工況下，飛機(jī)撞擊安全殼穹頂，穹頂外壁發(fā)生變形，但其均未發(fā)生貫穿。除上述未貫穿的計(jì)算工況外，飛機(jī)初始撞擊速度為100 m/s時(shí)，安全殼等效鋼梁位置處，安全殼的外壁鋼板均發(fā)生內(nèi)凹變形，但均未發(fā)生貫穿破壞，其余計(jì)算工況均發(fā)生貫穿破壞，且當(dāng)撞擊高度為54 m時(shí)，安全殼環(huán)向和豎向貫穿尺寸均大于同初始撞擊速度下的尺寸，最大環(huán)向貫穿尺寸達(dá)到了29.68 m，最大豎向貫穿尺寸達(dá)到了17.86 m，可知鋼制安全殼的最危險(xiǎn)位置為安全殼圓筒形外壁與其穹頂?shù)慕唤缣帲锤叨葹?4 m處。根據(jù)不同速度下筒身等效鋼梁位置和非等效鋼梁位置的撞擊破壞現(xiàn)象可知，筒身非等效鋼梁處在速度為100 m/s時(shí)，就會發(fā)生貫穿破壞，環(huán)向貫穿尺寸為3.95，豎向貫穿尺寸為5.95，而等效鋼梁處在速度達(dá)到150 m/s時(shí)，才會發(fā)生貫穿，且環(huán)向貫穿尺寸為2.71，豎向貫穿尺寸只有2.73，貫穿尺寸為前者的1/3；當(dāng)初始撞擊速度從100 m/s增加到250 m/s時(shí)，安全殼的環(huán)、豎向的貫穿尺寸都隨之增加，在初始撞擊速度為250 m/s時(shí)達(dá)到最大，但當(dāng)初始撞擊速度增加到300 m/s時(shí)，貫穿尺寸反而減小。

圖11 AP1000安全殼正面沿撞擊方向的位移峰值Fig.11 Peak displacement of AP1000 containment along the impact direction

圖12 T5時(shí)刻的安全殼破壞情況圖示Fig.12 Diagram of containment damage at T5

表3 安全殼環(huán)向貫穿尺寸Tab.3 Circumferential dimensions of containment

表4 安全殼豎向貫穿尺寸Tab.4 Vertical penetration dimension of containment

3.3 安全殼等效應(yīng)力分布

圖13為AP1000核島結(jié)構(gòu)安全殼P3和P4在不同初始撞擊速度下的等效應(yīng)力云圖，選擇這兩個(gè)位置的原因是，P3為等效鋼梁位置，P4是非等效鋼梁位置，可以比較兩者的應(yīng)力發(fā)展情況，且由前面的分析可知，P4是貫穿破壞最嚴(yán)重的區(qū)域。為了更加明確和比較鋼制安全殼的應(yīng)力集中現(xiàn)象和安全殼的失效，應(yīng)力云圖統(tǒng)一為最大應(yīng)力邊界條件。觀察圖12中AP1000安全殼外壁等效應(yīng)力云圖可以看出，在不同撞擊位置處，安全殼的等效應(yīng)力主要集中在正面區(qū)域，安全殼正面的損傷破壞區(qū)域形狀基本相同，等效最大應(yīng)力最開始出現(xiàn)于撞擊中心區(qū)域，機(jī)身撞擊區(qū)域呈圓形，隨著撞擊的繼續(xù)進(jìn)行，安全殼上最大等效應(yīng)力范圍先是沿高度方向擴(kuò)展，當(dāng)引擎和機(jī)翼撞擊安全殼時(shí)，安全殼上最大等效應(yīng)力范圍開始沿水平方向擴(kuò)展，且撞擊中心區(qū)域最大等效應(yīng)力分布范圍增大。等效應(yīng)力的最大值都是出現(xiàn)在安全殼撞擊中心區(qū)域處，且此處外壁鋼板產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力均已超過安全殼鋼材的屈服應(yīng)力415 MPa。由等效應(yīng)力圖的發(fā)展情況來看，當(dāng)初始撞擊速度相同時(shí)，P3位置等效應(yīng)力影響范圍要明顯大于P4位置，P4的撞擊等效應(yīng)力更為集中，在t2和t3時(shí)刻，P3位置對整個(gè)安全殼正面都有一定的影響，在P1位置處都有一定的鋼材達(dá)到屈服應(yīng)力，而P4位置都集中在撞擊點(diǎn)附近。

圖13 安全殼等效應(yīng)力云圖Fig.13 Equivalent stress contours of the containment

4 結(jié) 論

基于已驗(yàn)證的波音737 MAX 8大型商用飛機(jī)和AP1000安全殼，采用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行了25種工況下飛機(jī)撞擊安全殼全過程數(shù)值模擬，分析了飛機(jī)和安全殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)、安全殼的局部破壞和等效應(yīng)力分布。結(jié)論如下：

(1)基于彈-靶體接觸耦合分析方法能有效預(yù)測飛機(jī)撞擊動力過程與效應(yīng)，與Riera法理論計(jì)算結(jié)果相比，飛機(jī)撞擊力峰值和沖量的最大誤差僅為1.11%，3.73%。

(2)飛機(jī)撞擊力時(shí)程曲線先增大至峰值后減小，其峰值出現(xiàn)在第二階段，且該階段的整個(gè)撞擊力主要由引擎撞擊貢獻(xiàn)，撞擊力峰值相較于第一階段增大3～4倍。

(3)不同初始撞擊速度下，筒身等效鋼梁處的撞擊力峰值較非等效鋼梁處大，最小為后者的117%(速度為150 m/s)，最大達(dá)到了后者的171%(速度為300 m/s)。

(4)等效鋼梁能夠很好地抵御飛機(jī)的撞擊作用。在初始撞擊速度為100 m/s時(shí)，筒身非等效鋼梁處已經(jīng)貫穿破壞，環(huán)向貫穿尺寸為3.95 m，豎向貫穿尺寸為5.95 m，而等效鋼梁處在初始撞擊速度達(dá)到150 m/s時(shí)才發(fā)生貫穿破壞，且環(huán)向、豎向貫穿尺寸分別為2.71 m，2.73 m，貫穿尺寸僅約為前者的1/3，且撞擊等效鋼梁后飛機(jī)動能下降最快，在T5時(shí)刻飛機(jī)撞擊筒身等效鋼梁處的動能僅為其他撞擊位置處的1/2(初始撞擊速度為300 m/s)。

(5)安全殼筒身段與穹頂?shù)慕唤缣帪榘踩珰そY(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)位置(54 m高度處)，在各個(gè)初始撞擊速度下都發(fā)生了貫穿破壞，且在此位置處安全殼環(huán)向和豎向貫穿尺寸均大于同初始撞擊速度下其他位置的貫穿尺寸，最大環(huán)向、豎向貫穿尺寸達(dá)到了29.68 m，17.86 m。安全殼穹頂在所有工況的飛機(jī)撞擊下均未發(fā)生貫穿破壞(撞擊高度為65 m)，撞擊使飛機(jī)的飛行方向發(fā)生變化，均向安全殼斜上方飛出。

(6)當(dāng)飛機(jī)撞擊速度超過150 m/s時(shí)，安全殼撞擊的鋼板等效應(yīng)力影響范圍隨初始撞擊速度的增加而減少，且撞擊等效鋼梁處的安全殼等效應(yīng)力分布范圍相對于撞擊非等效鋼梁處的更大。