基于LS-DYNA的HDPE-HIC屏蔽运输容器力学分析

Mechanical Analysis of HDPE-HIC Shielded Transport Container Based on LS-DYNA

摘要: 屏蔽运输容器能够保证放射性废物运输的安全。在我国，高密度聚乙烯高完整容器(HDPE-HIC)作为一种新型货包，暂无专用的屏蔽运输容器，开发一套用于HDPE-HIC的屏蔽运输容器，可防止放射性废物转运、运输过程中对外界产生辐射。在运输过程中如果容器出现破损会对外界造成严重的后果，因此对屏蔽运输容器进行跌落和穿刺分析非常重要。本文通过spaceclaim软件建立屏蔽运输容器的三维模型，通过LS-DYNA软件对跌落和穿刺过程进行模拟，得到了屏蔽运输容器最大变形和应变，经分析当前设计能够对内容物进行有效的包容。

Abstract: Shielded transport containers can ensure the safety of radioactive waste transport. In China, high density polyethylene high integrity container (HDPE-HIC) as a new type of cargo package, there is no special shielded transport container, and a set of shielded transport container for HDPE-HIC is developed to prevent radiation to the outside world during the transfer and transportation of radioactive waste. If the container is damaged in the transportation process, it will cause serious consequences to the outside world, so it is very important to analyze the drop and puncture of the shielded transportation container. In this paper, spaceclaim software is used to establish a three-dimensional model of the shielded transport container, and LS-DYNA software is used to simulate the drop and puncture process, and the maximum deformation and strain of the shielded transport container are obtained. After analysis, the current design can effectively contain the contents.

1. 引言

核能作为一种清洁低碳的能源，是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要能源组成。但核能的利用不可避免地会产生放射性废物，保证放射性废物安全有效的处理处置，是核能发展需要重点关注的问题。放射性废物的转运和运输是放射性废物处理处置重要的环节之一，如果货包运输途中出现损坏，可能导致放射性废物的泄露，造成人员伤亡和环境污染，屏蔽运输容器可保证放射性废物运输的安全[1] [2]。

对于《放射性物品安全运输规程》(GB 11806-2019)要求的破坏性试验，容器研发人员多采用模拟仿真的方式，对容器进行分析优化，为容器试验提供支持。孙洪超[3]等针对一种用于⁶⁰Co放射源的运输容器，利用ABAQUS软件进行了9 m自由下落试验，确定了容器最严重损坏的姿态，在最严重损坏状态下，容器结构和屏蔽性仍能满足规范要求。汪军[4]等针对核燃料运输的YG-1型运输容器进行了跌落分析，利用ANSYS/LS-DYNA分别进行了1.2 m自由下落试验、贯穿试验和动态压碎试验的模拟仿真，并通过分析结果对容器进行了结构优化，优化后容器满足规范要求。

我国海阳核电于2010年首次引进了HDPE-HIC，用于盛装核电厂产生的放射性废树脂废水过滤器滤芯等废物[5]。目前我国尚未进行HDPE-HIC的厂外运输，因此需要开发一套满足GB 11806-2019规定要求的HDPE-HIC屏蔽运输容器。本文拟采用有限元分析的方法，开展跌落和穿刺试验仿真分析，找到容器的薄弱点，为设计优化提供依据，从而保证试验顺利通过。

2. 屏蔽运输容器简述

HDPE-HIC屏蔽运输容器主要由缓冲器和筒体组成，外形结构如图1所示，上缓冲器和下缓冲器通过八根拉杆连接，筒体由多层金属组成，筒体与顶盖通过螺栓连接。屏蔽运输容器外型尺寸(包含缓冲器)为φ2591 mm × 3398 mm。

3. 有限元分析

本文采用ANSYS workbench有限元软件前处理模块spaceclaim建立有限元分析模型，采用LS-DYNA求解器对有限元模型进行跌落试验模拟，最后采用workbench进行后处理，提取相关参数进行分析。

根据GB 11806-2019，HDPE-HIC屏蔽运输容器需要进行的跌落试验包括：

1) 正常运输条件能力的试验，主要包括：贯穿试验和自由下落试验。贯穿试验为使用直径为3.2 cm一端呈半球形、质量为6 kg的棒自由下落并自由下落并沿竖直方向正好落在试样最薄弱部分的中心部位，棒下落高度为1 m。自由下落试验为试样自由下落，试样的最低点至靶的上表面的下落高度为1.2 m；

Figure 1. Model of HDPE-HIC shielded transshipment container

图1. HDPE-HIC屏蔽运输容器外形图

2) 事故运输条件能力的试验，主要包括：自由下落试验I和自由下落试验II。自由下落试验I为试样自由下落，以使试样受到最严重的损坏，从试样的最低点至靶的上表面的高度为9 m。自由下落试验II为试样自由下落在牢固直立在靶上的一根棒上，以使试样受到最严重的损坏，试样距棒的端面高度为1 m，棒的直径为15 cm，长度为20 cm。

由于事故运输工况下自由下落试验I跌落的高度为9 m，而正常运输工况下自由下落试验跌落的高度为1.2 m，事故运输工况下的跌落试验可以覆盖正常运输工况下的跌落试验，因此本文仅对高度为9 m的自由下落进行模拟。HDPE-HIC屏蔽运输容器自由下落试验需要考虑四个方即垂直跌落、水平跌落、顶角跌落和倾斜跌落，根据结构的对称性，重心与底部缓冲器边缘点连线垂直于地面的侧斜跌落为最具破坏性跌落角度，因此本文选取此跌落姿态进行模拟。

由于正常运输工况下贯穿试验棒的质量较小，根据经验对运输容器影响很小，估不进行分析。由于事故运输工况下自由下落试验II需要考虑对容器最大的破坏，根据结构的对称性，本文选取棒过重心的穿刺进行模拟。

3.1. 模型的建立

HDPE-HIC屏蔽运输容器采用ANSYS的spaceclaim进行三维模型的建立，在不影响模拟结果的前提下对三维模型进行了简化，忽略吊耳等配件，如图2所示。

Figure 2. Model of HDPE-HIC shielded transshipment container

图2. HDPE-HIC屏蔽运输容器有限元模型

3.2. 材料的定义

ANSYS workbench提供了非常全面的材料库，同时可以调用LS-DYNA内置的200余种材料，本次模拟共使用四种材料：ASTM A516、ASTM A517、ASTM A354和聚氨酯泡沫，材料性能如表1所示。

Table 1. Material performance parameter of HDPE-HIC shielded transshipment container

表1. HDPE-HIC屏蔽运输容器材料性能参数

材料	弹性模量(MPa)	泊松比	密度(kg/m^3)	断后伸长率(%)	抗拉强度(MPa)
ASTM A516	2 × 10^5	0.3	7860	17	/
ASTM A517	2 × 10^5	0.3	7860	/	/
ASTM A354	2 × 10^5	0.3	7860	/	1034
聚氨酯泡沫	66.09	0.3	192	/	/

3.3. 初始条件的设置

为了简化分析，在HDPE-HIC屏蔽运输容器跌落模拟中，以碰撞开始的时间为零时刻，因此在碰撞开始时，DPE-HIC屏蔽运输容器具有一个初始的下落速度。HDPE-HIC屏蔽运输容器在正常运输条件下的自由下落试验的跌落高度为1.2 m，为自由落体状态，碰撞的初始速度为$\sqrt{\text{2gh}}$ = 4.85 m/s；HDPE-HIC屏蔽运输容器在事故运输条件下的自由下落试验的跌落高度为9 m，为自由落体状态，碰撞的初始速度为$\sqrt{\text{2gh}}$ = 13.29 m/s。

此外HDPE-HIC屏蔽运输容器受地球引力作用，重力加速度取9.81 m/s，方向竖直向下[6]。

3.4. 模型划分

缓冲器填充物、筒体等采用实体单元，缓冲器外壳采用壳单元，拉杆采用梁单元，计算模型划分为80个梁单元，3200个壳单元、12,143个实体单元，共10,895个节点。

4. 结果分析

Figure 3. Deformation cloud diagram of HDPE-HIC shielded transport container under accident transportation condition

图3. 事故运输工况HDPE-HIC屏蔽运输容器变形云图

通过LS-DYNA有限元软件求解后，可以得到HDPE-HIC屏蔽运输容器在事故运输工况下自由下落姿态下的变形和应变等结果。图3为HDPE-HIC屏蔽运输容器跌落变形云图，可以看出屏蔽运输容器的下缓冲器变形较大。

图4为事故运输工况自由下落HDPE-HIC屏蔽运输容器筒体和上顶盖最大塑性应变云图，最大塑性应变为0.043 mm/mm，远小于筒体材料的2/3倍的断后伸长率0.11 mm/mm。

Figure 4. The maximum plastic strain cloud diagram of HDPE-HIC shielded transport container cylinder and upper cover under accident transportation conditions

图4. 事故运输工况HDPE-HIC屏蔽运输容器筒体和上顶盖最大塑性应变云图

表2为HDPE-HIC屏蔽运输容器事故工况跌落时间、最大塑性应变等结果的汇总。

Table 2. Summary of results under accident condition drop attitude

表2. 事故工况跌落姿态下结果汇总

姿态	跌落时间(ms)	最大位移(mm)	塑性应变(mm/mm)
底角过重心跌落	40.0	474.07	0.043

表3为HDPE-HIC屏蔽运输容器事故工况各螺栓的最大应力比值结果，螺栓的最大应力比值均小于1，小于ASME BPVCIII-1-附录F关于D级使用限制的要求，可以保证结构完整性。

Table 3. Summary of results of maximum ratio of bolt stress under accident conditions

表3. 事故工况螺栓应力最大比值结果汇总

姿态	拉应力计算值/限值	剪应力计算值/限值	拉剪组合
底角过重心跌落	0.37	0.31	0.14

图5为穿刺试验HDPE-HIC屏蔽运输容器变形云图，可以看出屏蔽运输容器最大变形出现在上缓冲器。

Figure 5. Deformation cloud diagram of HDPE-HIC shielded transport container under puncture test

图5. 穿刺试验HDPE-HIC屏蔽运输容器变形云图

图6为穿刺试验下HDPE-HIC屏蔽运输容器筒体和上顶盖最大塑性应变云图，最大塑性应变为0.087 mm/mm，远小于筒体材料的2/3倍的断后伸长率0.11 mm/mm。

Figure 6. The maximum plastic strain cloud diagram of cylinder and the upper cover under puncture test

图6. 穿刺试验筒体和上顶盖最大塑性应变云图

表4为穿刺试验下HDPE-HIC屏蔽运输容器跌落时间、最大塑性应变等结果的汇总。

Table 4. Summary of puncture test results

表4. 穿刺试验结果汇总

姿态	跌落时间(ms)	最大位移(mm)	塑性应变(mm/mm)
靶棒过重心跌落	10.0	46.52	0.087

表5为穿刺试验下HDPE-HIC屏蔽运输容器各螺栓的最大应力比值结果，螺栓的最大应力比值均小于1，小于ASME BPVCIII-1-附录F关于D级使用限制的要求，可以保证结构完整性。

Table 5. Summary of the maximum ratio of bolt stress in puncture test

表5. 穿刺试验螺栓应力最大比值结果汇总

姿态	拉应力计算值/限值	剪应力计算值/限值	拉剪组合
靶棒过重心跌落	1.02	0.51	1.14

5. 结论

本文针对HDPE-HIC屏蔽运输容器建立了合理的三维模型，按照GB11806-2019要求，通过LS-DYNA软件对HDPE-HIC屏蔽运输容器进行了跌落和穿刺仿真，得到了屏蔽运输容器事故状态下自由下落姿态和穿刺的最大变形和应变，屏蔽运输容器筒体和上顶盖的最大塑性应变以及筒体和上顶盖的连接螺栓的应力能够满足相关要求。因此，在经过跌落冲击和穿刺后，HDPE-HIC屏蔽运输容器能够对内容物进行有效的包容。

基金项目

聚乙烯高整体容器(HDPE-HIC)处置方案及运输装备设计研究(169001JX0120230008)。