李忠誠，黃 濤

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518029）

基于ANSYS／LS-DYNA的抗飛機(jī)撞擊結(jié)構(gòu)非線性動力分析

李忠誠，黃 濤

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518029）

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

大型商用飛機(jī)；撞擊APC殼；數(shù)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(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，由于核電廠事故的后果往往是災(zāi)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(jī)撞擊的問題成為公眾和研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，抗飛機(jī)撞擊結(jié)構(gòu)（APC殼）作為核電站抵抗飛機(jī)撞擊的主要屏障，是核電廠主要防護(hù)結(jié)構(gòu)之一，由鋼筋混凝土制成。美國聯(lián)邦法規(guī)［1］明確要求新建核電站設(shè)計時需要考慮大型商用飛機(jī)的撞擊。

國內(nèi)外對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力分析研究以及混凝土材料在強(qiáng)沖擊荷載下的動力特性研究進(jìn)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(yàn)和數(shù)值計算進(jìn)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(qiáng)度混凝土可以提高抗沖擊性能。Buchhardt［3］對飛機(jī)撞擊下材料的非線性和阻尼之間的相互作用進(jìn)行了分析研究。汪泰鈞［4］對飛機(jī)撞擊下的結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)進(jìn)行了分析，并簡述了一些實(shí)用的計算方法和相應(yīng)的構(gòu)造措施，總結(jié)了飛機(jī)撞擊效應(yīng)的實(shí)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(jī)撞擊下的軸對稱彈塑性動力分析進(jìn)行了研究，給出了結(jié)構(gòu)在飛機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)塑性區(qū)擴(kuò)展情況及彈性和彈塑性響應(yīng)曲線。Akram Abu-Odeh［6］開展了鋼筋混凝土的動力沖擊實(shí)驗(yàn)分析，并運(yùn)用LS-DYNA材料庫中不同的本構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文分析采用通用有限元軟件LS-DYNA建立有限元實(shí)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(jī)作用下整體的彈塑性響應(yīng)進(jìn)行了計算分析，并對局部效應(yīng)進(jìn)行了描述。

1 APC殼結(jié)構(gòu)概述

APC殼結(jié)構(gòu)是核電站抵抗飛機(jī)撞擊的主要屏障，主要用于保護(hù)核級設(shè)備、系統(tǒng)或構(gòu)筑物，保證核電站在飛機(jī)撞擊下能夠安全停堆和放射性泄露不超過允許標(biāo)準(zhǔn)。APC殼結(jié)構(gòu)具有跨度大、墻體無水平和縱向支撐、厚度大等特點(diǎn)，并且APC殼結(jié)構(gòu)獨(dú)立于廠房結(jié)構(gòu)，對廠房結(jié)構(gòu)形成包圍起到屏蔽防護(hù)作用。APC殼結(jié)構(gòu)主要通過大跨度結(jié)構(gòu)的變形和材料的局部破壞來吸收飛機(jī)撞擊能量，在保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生整體破壞的情況下APC殼結(jié)構(gòu)和廠房之間設(shè)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(jié)構(gòu)的抗飛機(jī)撞擊能力。

燃料廠房內(nèi)設(shè)有乏燃料水池、儲存著大量乏燃料，因此，燃料廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮大型商用飛機(jī)的撞擊，可以通過設(shè)置APC殼墻體抵抗飛機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為計算分析的模型，APC結(jié)構(gòu)的3D有限元模型如圖2～圖4所示，混凝土采用實(shí)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(nèi)外兩側(cè)。有限元模型共有353 997個節(jié)點(diǎn)和247 848個單元，其中實(shí)體單元為178 788，梁單元為69 060。

圖2 3D有限元模型45度軸側(cè)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(cè)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(cè)視圖Fig．4 FE-Model of Outer Wall Reinforcement Side Elevation

計算模型的約束和飛機(jī)荷載的作用示意圖如圖5和圖6所示。大型商用飛機(jī)的荷載通過考慮飛機(jī)的質(zhì)量分布、剛度分布和撞擊速度，運(yùn)用RIERA方法［7］獲取，其荷載分為兩部分，一部分是準(zhǔn)圓柱形結(jié)構(gòu)的機(jī)身，其剛度和質(zhì)量分布幾乎保持不變，產(chǎn)生的荷載為65 MN，持續(xù)時間約為280 ms，作用區(qū)域?yàn)闄C(jī)身的圓形區(qū)域；一部分是機(jī)翼和發(fā)動機(jī)，撞擊時產(chǎn)生一個突加荷載，峰值荷載達(dá)到185 MN，持續(xù)時間為40 ms，作用區(qū)域?yàn)閮蓚?cè)發(fā)動機(jī)之間等效矩形區(qū)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(jī)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(jī)撞擊屬于高速沖擊，材料在高應(yīng)變率下會發(fā)生應(yīng)力強(qiáng)化，需考慮材料強(qiáng)度的動力增大系數(shù)。另外材料分項(xiàng)系數(shù)為γc＝γs＝1．0，則混凝土壓縮強(qiáng)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(yīng)，選取混凝土材料模型為雙線性模型。屈服極限等于壓縮強(qiáng)度，在屈服點(diǎn)的壓縮應(yīng)變?yōu)? 350 u，當(dāng)壓力達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度時拉伸應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。

鋼筋在單軸拉壓作用下表現(xiàn)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?？梢赃x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(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．7 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Concrete in Tension and Compression

軸應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．8 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Reinforcement in Tension and Compression

4 計算結(jié)果分析

大型商用飛機(jī)撞擊核電站具有作用時間短、沖擊荷載大等特點(diǎn)，本文以大型商用飛機(jī)以撞擊力-時間函數(shù)來模擬飛機(jī)的撞擊，力-時間函數(shù)充分考慮了不同時間段飛機(jī)不同部位與墻體的接觸。在撞擊的初始階段，慣性效應(yīng)明顯，需要考慮應(yīng)力波的傳播效應(yīng)，同時由于墻體的跨度遠(yuǎn)大于墻體的厚度（飛機(jī)撞擊方向），應(yīng)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(yīng)力波傳播的現(xiàn)象很快就會消失，結(jié)構(gòu)的彈塑性動力響應(yīng)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的（彎曲）變形隨時間的變化。

4.1 計算節(jié)點(diǎn)選擇

選擇撞擊區(qū)域及附近的節(jié)點(diǎn)來分析墻體局部在飛機(jī)荷載作用下的動力響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)位置如圖9所示。選擇撞擊區(qū)域、遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域及其他墻體或樓板的節(jié)點(diǎn)來分析廠房整體在飛機(jī)荷載作用下的動力響應(yīng)。節(jié)點(diǎn)位置如圖10所示。

圖9 外墻位移曲線輸出節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig．9 Selected Node Numbers for Output Data

4.2 結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)

在飛機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)的最大位移為56．54 cm，位移云圖如圖11所示。選擇計算節(jié)點(diǎn)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(yīng)，位移曲線比荷載曲線稍稍滯后，即在最大荷載出現(xiàn)后位移才達(dá)到最大值，卸載后，結(jié)構(gòu)彈性變形部分位移得到恢復(fù)，塑性變形部分值比較大。另外撞擊中心和撞擊區(qū)域附近的節(jié)點(diǎn)位移隨著荷載的增加，差距越大。

圖11 結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)位移時程曲線Fig．12 Time History of Displacements of Vertical Node

圖13 外墻水平向節(jié)點(diǎn)位移時程曲線Fig．13 Time History of Displacements of Horizontal Node

廠房結(jié)構(gòu)位移值較大的區(qū)域在撞擊區(qū)域，離撞擊區(qū)域越遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)越小。選取結(jié)構(gòu)不同部位的節(jié)點(diǎn)，包括撞擊區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)、撞擊區(qū)域附近節(jié)點(diǎn)、撞擊區(qū)域外節(jié)點(diǎn)及遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的節(jié)點(diǎn)（其他墻體上的節(jié)點(diǎn)）的位移-時間曲線如圖14和圖15所示，可知撞擊區(qū)域內(nèi)的位移峰值遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的位移峰值，且變化梯度較大，而遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的變化梯度較小。

圖14 墻體不同部位節(jié)點(diǎn)的動力響應(yīng)（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(jié)點(diǎn)的動力響應(yīng)（Y向位移曲線圖）Fig．15 the Dynamical Response of Node in Different Locations of Walls

4.3 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)撞擊區(qū)域材料已屈服，混凝土材料出現(xiàn)崩落、裂紋等局部現(xiàn)象。外墻外層鋼筋的應(yīng)力云圖如圖17所示，鋼筋局部屈服，發(fā)生塑性變形，外層鋼筋的應(yīng)變云圖如圖18所示，鋼筋的最大軸向應(yīng)變值為26．82‰，小于鋼筋的極限應(yīng)變50%?；炷猎?．192 s時的應(yīng)力云圖如圖19所示，撞擊區(qū)域出現(xiàn)屈服，同時在墻體靠近撞擊區(qū)域的洞口角隅處材料屈服。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷增大，但是對于非撞擊墻體結(jié)構(gòu)一直處于低應(yīng)力水平。另外墻體洞口角隅處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要在洞口外圍設(shè)置防護(hù)罩，減少撞擊引起的洞口處局部應(yīng)力增大，防止洞口角隅處開裂。

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

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

圖19 0．192 s結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖Fig．19 Structure Stress Nephogram on 0．192 s

4.4 結(jié)果比較

將計算結(jié)果中的主要指標(biāo)墻體最大水平位移值和鋼筋最大應(yīng)變值與某在建核電項(xiàng)目計算結(jié)果進(jìn)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(yīng)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(yīng)變值列表Table 2 the Largest Axis Strain Value List of Reinforcement

根據(jù)上表的對比可知數(shù)值計算結(jié)果與項(xiàng)目結(jié)果基本吻合。同時結(jié)果也存在一定的差異，數(shù)值計算結(jié)果與項(xiàng)目結(jié)果相比位移峰值超出3．56%，出現(xiàn)的時刻稍稍滯后。主要由于在數(shù)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(xiàng)目計算中鋼筋采用面單元進(jìn)行模擬，本課題采用梁單元進(jìn)行模擬，鋼筋的分布和位置有一定的差別。

5 結(jié)論

1．采用大型商用飛機(jī)力-時間函數(shù)撞擊APC殼墻體進(jìn)行數(shù)值計算分析，計算結(jié)果表明，燃料廠房APC墻體能夠抵抗大型商用飛機(jī)的撞擊。

2．經(jīng)過對結(jié)構(gòu)的彈塑性分析表明，大型商用飛機(jī)撞擊局部影響明顯，對遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)無影響或影響較小。

3．根據(jù)計算分析，對于受撞擊墻體洞口區(qū)域，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，需對局部區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的防護(hù)，如采用防護(hù)罩等措施。

4．本課題在進(jìn)行大型商用飛機(jī)撞擊核電站研究過程中，飛機(jī)撞擊APC殼的計算采用的是一個近似力函數(shù)，并未考慮飛機(jī)實(shí)體對APC殼的影響，也未考慮飛機(jī)實(shí)體與APC殼的接觸對計算精度的影響性。更真實(shí)的數(shù)值仿真還需重新對飛機(jī)結(jié)構(gòu)簡化模型或?qū)嶓w模型對APC殼的撞擊進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

［1］ 美國聯(lián)邦法規(guī)．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(shè)計過程中對飛機(jī)墜毀事件的考慮［J］．核動力工程，1992，13（2）．

［5］ 金華，翁智遠(yuǎn)，王遠(yuǎn)功．核電廠安全殼頂蓋在飛機(jī)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