李亮，潘蓉，朱秀云

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京市 100082)

0 引言

美國(guó)“9·11”恐怖襲擊引起了公眾對(duì)于現(xiàn)代大型飛機(jī)撞擊包括核電廠在內(nèi)的國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的關(guān)注。國(guó)外核電行業(yè)進(jìn)行了大量研究，以評(píng)估和提高當(dāng)今核電廠承受和抵抗飛機(jī)蓄意撞擊的能力。美國(guó)核管會(huì)(nuclear regulatory commission，NRC)在“9·11”后要求美國(guó)國(guó)內(nèi)核電廠對(duì)抵抗大型商用飛機(jī)的惡意撞擊進(jìn)行評(píng)估。NRC通過標(biāo)準(zhǔn)“Consideration of Aircraft Impact for New Nuclear Power Reactor Designs”，并于2009年6月將大型商用飛機(jī)撞擊作為核電廠超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件考慮的規(guī)定，以美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)新條款的形式頒布，規(guī)定2009年7月13日之后頒發(fā)證書的核動(dòng)力堆的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，均應(yīng)對(duì)設(shè)施遭受大型商用飛機(jī)撞擊進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。目前，我國(guó)的核安全法規(guī)還沒有針對(duì)大型飛機(jī)撞擊評(píng)價(jià)提出相關(guān)要求，但是建立和完善相關(guān)法規(guī)勢(shì)在必行，環(huán)保部核與輻射安全中心在這方面的研究工作也已起步。本文采用HAD101/04《核電廠廠址選擇的外部人為事件》［1］提供的波音707－320撞擊荷載函數(shù)，考慮小型商業(yè)飛機(jī)撞擊安全殼外殼的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析其抵抗小型商業(yè)飛機(jī)撞擊的能力。

1 計(jì)算模型

1.1 安全殼描述

本文研究的核電廠采用第三代先進(jìn)技術(shù)，其安全殼分為內(nèi)外雙殼，內(nèi)外殼的凈間距為1.5 m。本文的研究對(duì)象實(shí)際是安全殼的外殼，安全殼外殼作為抵抗外部事件的主要屏障，對(duì)安全殼內(nèi)殼的功能防護(hù)起著重要作用，在飛機(jī)撞擊情況下保證反應(yīng)堆安全停堆和放射性泄漏不超過允許值。

1.2 撞擊的基本假定

假定飛機(jī)主要由機(jī)身和機(jī)翼組成，將其等效荷載曲線作用在相應(yīng)的撞擊位置。并假定飛機(jī)撞擊過程中接觸面內(nèi)作用力是均勻分布的。在進(jìn)行飛機(jī)撞擊分析時(shí)最不利的情況，飛機(jī)撞擊的角度選取能包絡(luò)所有情況的角度。

1.3 計(jì)算軟件及幾何模型

本文研究采用大型通用有限元程序LS-DYNA。LS-DYNA是結(jié)構(gòu)撞擊分析領(lǐng)域最著名的軟件之一，其優(yōu)勢(shì)在于可采用顯示時(shí)間積分，通過多種接觸－撞擊算法來處理高度非線性、大變形接觸和動(dòng)力響應(yīng)問題。

本文鋼筋模型和混凝土模型采用分離建模?；炷敛捎脤?shí)體單元Solid164模擬，鋼筋采用梁?jiǎn)卧狟eam161模擬，鋼筋布置在混凝土墻體內(nèi)側(cè)，不考慮兩者之間的滑移，鋼筋與混凝土單元采用耦合約束(constrained_lagrange_in_solid)［2］方式。其中鋼筋模型，按照內(nèi)外2層的方式布置在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，鋼筋的直徑和間距按照等面積來進(jìn)行折算替換，以減少鋼筋的布置密度和單元數(shù)目，提高建模的效率和計(jì)算的效率。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，對(duì)安全殼進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)于底部貫穿件孔洞，由于洞口尺寸不大，且離撞擊位置較遠(yuǎn)，在幾何模型中沒有考慮這部分孔洞。另外安全殼坐落在筏基上，考慮到底部核島筏基板作為1個(gè)整體，對(duì)安全殼結(jié)構(gòu)所起的作用按邊界條件的方式處理，在幾何模型中也沒有考慮。安全殼外殼混凝土有限元模型如圖1所示。

圖1 混凝土有限元模型Fig.1 Finite element model of concrete

1.4 撞擊荷載和分析方法

飛機(jī)對(duì)核電廠防護(hù)結(jié)構(gòu)或?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)物撞擊問題首先要解決荷載－時(shí)間關(guān)系曲線問題［3］。確定飛機(jī)撞擊荷載函數(shù)是一個(gè)較為復(fù)雜的課題，經(jīng)過大量的研究，這些載荷函數(shù)已或多或少標(biāo)準(zhǔn)化了［4］。本文撞擊荷載選用我國(guó)由國(guó)家核安全局批準(zhǔn)發(fā)布的HAD101/04《核電廠廠址選擇的外部人為事件》［1］附錄I飛機(jī)墜毀中的波音707－320型飛機(jī)，波音707－320相對(duì)應(yīng)的荷載/時(shí)間函數(shù)如圖2所示［1］，對(duì)應(yīng)的撞擊面積/時(shí)間函數(shù)如圖3所示［1］，計(jì)算中選用的撞擊面積平均值，對(duì)平面約為37 m2，對(duì)球面約為18 m2。

由撞擊荷載/時(shí)間函數(shù)特點(diǎn)可見，撞擊載荷隨著機(jī)身結(jié)構(gòu)(撞擊接觸面積)變化而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)撞擊時(shí)間達(dá)到0.15 s時(shí)，載荷值迅速增大并在0.25 s時(shí)達(dá)到峰值，可判斷0.15 s為機(jī)翼開始接觸到撞擊面的起始時(shí)刻，0.25 s時(shí)最堅(jiān)硬部件引擎所造成的撞擊使得載荷力達(dá)到最大值，隨著撞擊面積的逐漸減少，載荷力也隨之減小。

本文采用在混凝土墻面直接施加撞擊載荷力的方式進(jìn)行等效波音707－320型飛機(jī)撞擊分析，獲得外殼結(jié)構(gòu)的撞擊響應(yīng)結(jié)果。等效撞擊載荷曲線分為2段，分別作用于機(jī)身和機(jī)翼所代表的面積上。在LS-DYNA中撞擊荷載通過在相應(yīng)撞擊區(qū)域內(nèi)施加撞擊方向的節(jié)點(diǎn)力來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)飛機(jī)的特征，其撞擊作用可以分為2部分，一部分是機(jī)身部分的撞擊(等效為圓形區(qū)域)，另一部分是機(jī)翼部分的撞擊(等效為矩形區(qū)域)。安全殼撞擊位置的正視圖如圖4所示。

圖4 安全殼撞擊位置Fig.4 Front view of crashing location on containment

2 材料本構(gòu)模型

分析飛機(jī)撞擊的瞬時(shí)響應(yīng)，關(guān)鍵是正確描述鋼筋混凝土安全殼的材料非線性本構(gòu)關(guān)系和失效準(zhǔn)則［5］。在大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高圍壓條件下，選擇合理的混凝土材料本構(gòu)模型對(duì)于此類研究具有重要意義。研究人員構(gòu)建了很多混凝土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，其中以經(jīng)過 Johnson-Cook 模 型［6］改 進(jìn) 的 Johnson-Holmguist-Concrete模型［7］應(yīng)用最為廣泛，該模型能很好地描述高應(yīng)變率條件下混凝土的響應(yīng)問題，綜合考慮了大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高壓效應(yīng)，非常適合于Lagrange和Euler程序的計(jì)算［8-9］。本文采用此模型(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE)［2］(HJC) 來模擬混凝土。HJC混凝土模型包含5個(gè)強(qiáng)度參數(shù)A，B，N，C和SMAX(其中A表示標(biāo)準(zhǔn)化的凝聚力強(qiáng)度，為混凝土無損傷壓強(qiáng)度與完全壓碎抗壓強(qiáng)度之差;B，N表示壓力強(qiáng)化系數(shù)和壓力強(qiáng)化指數(shù);C，SMAX表示應(yīng)變率系數(shù)和最大標(biāo)準(zhǔn)化等效應(yīng)力);7個(gè)狀態(tài)方程參數(shù);4個(gè)損傷定義參數(shù)。該模型將材料變形分為形狀改變和體積改變。破壞面方程用來表示形狀的改變，狀態(tài)方程用來描述體積的改變，損傷也具有壓力依賴性［10］。

采用(MAT_ADD_EROSION)［2］侵蝕失效準(zhǔn)則來控制混凝土單元的失效，該模型有壓力、等效應(yīng)力、切應(yīng)變、主應(yīng)力、臨界應(yīng)力、主應(yīng)變、應(yīng)力脈沖失效等7種失效方式。本文采用等效應(yīng)力失效方式。混凝土的單元類型為六面體實(shí)體單元，算法為單點(diǎn)積分(constant stress single point integration)［2］。在模型中，鋼筋采用LS-DYNA中分段線性動(dòng)力硬化本構(gòu)模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)［2］。鋼筋的單元類型為三節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?，算法為單點(diǎn)高斯積分(hughesliu)［2］。在高速碰撞過程中，材料的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的提高而增加，而材料的彈性模量和泊松比對(duì)于應(yīng)變的變化敏感性較弱，通常進(jìn)行分析時(shí)可不考慮應(yīng)變率的影響。對(duì)于飛機(jī)撞擊對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變率一般為0.05～1.0 Hz，需要考慮應(yīng)變率對(duì)鋼筋和混凝土強(qiáng)度的影響。因此，在分析中對(duì)靜力狀態(tài)下材料的強(qiáng)度值做適當(dāng)修正是合適的。本研究采用NEI07－13報(bào)告［11］中推薦的動(dòng)力強(qiáng)化系數(shù)來考慮此特性?；炷量箟簭?qiáng)度的動(dòng)力增大系數(shù)(DIF)一般取1.15，抗拉強(qiáng)度的動(dòng)力增大系數(shù)一般取1.20，鋼筋的屈服強(qiáng)度的動(dòng)力增大系數(shù)一般取1.10。

3 撞擊結(jié)構(gòu)分析

圖5為安全殼撞擊的最大位移云圖，取變形中心附近的5個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，獲得其撞擊過程的位移時(shí)間歷程曲線如圖6所示。圖7～9分別給出了安全殼撞擊的鋼筋等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)力歷程和鋼筋塑性應(yīng)變?cè)茍D。

由圖 5、6可知:在撞擊荷載力的作用下，在0.25 s時(shí)刻，安全殼撞擊區(qū)域達(dá)到變形最大值，最大凹陷深度4.8 cm左右，向殼身徑向變形。撞擊造成的變形峰值約為4.8 cm，遠(yuǎn)小于內(nèi)殼和外殼之前的空隙1.5 m，因此內(nèi)殼并未受到撞擊。由圖7、8可知，在撞擊的 0.27 s左右，鋼筋最大等效應(yīng)力為5.5×108Pa，達(dá)到了屈服極限，進(jìn)入塑性變形。由圖9可知，鋼筋的最大應(yīng)變?yōu)?.0446%，遠(yuǎn)小于鋼筋允許的最大應(yīng)變5%，鋼筋沒有破壞。

4 結(jié)論

某反應(yīng)堆安全殼外殼在HAD101/04中提供的波音707－320飛機(jī)撞擊作用下，安全殼內(nèi)的鋼筋屈服，但是并未達(dá)到鋼筋的最大允許應(yīng)變，安全殼的最大變形未超過內(nèi)殼與外殼的間距。因此，能滿足NRC對(duì)抵抗飛機(jī)撞擊事件的相關(guān)審評(píng)要求，即能保證“反應(yīng)堆冷卻能力，安全殼完整性以及乏燃料池的完整性和冷卻能力”不受損害。同時(shí)，無論鋼筋的應(yīng)變率還是安全殼最大變形量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許值，這也說明像波音707－320型這樣的小型商用飛機(jī)對(duì)核電廠安全殼的影響是很小的，但是大型商用飛機(jī)對(duì)核電廠安全殼的影響則有待進(jìn)一步深入的研究。

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