曾祥寶 魏川淋

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)放射性固體廢物運(yùn)輸效率低、安全性低等問題，筆者設(shè)計(jì)了一種放射性固體廢物桶運(yùn)輸輔助裝置，建立了運(yùn)輸輔助裝置的三維模型，并利用ANSYS對(duì)該單元進(jìn)行了有限元力學(xué)分析，重點(diǎn)考慮靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等四個(gè)工況下關(guān)鍵連接緊固部件的變形和強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，固體廢物桶運(yùn)輸輔助裝置的材料強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，這為運(yùn)輸輔助裝置的設(shè)計(jì)定型提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元法;運(yùn)輸輔助裝置;三維模型;力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0030-05

Abstract： In view of the present domestic radioactive solid waste transportation problem of low efficiency and low security， the author designed a kind of auxiliary transport device of radioactive solid waste steel drum， a three-dimensional model of transport auxiliary device was established， and finite element mechanics analysis of the element was carried out by using the ANSYS， the emphasis was put on the deformation and strength of key fastening parts under four conditions of the static horizontal placement， the static horizontal placement， the tilt 30° placement， the brake braking， and sharp turning. The calculation results showed that the transport auxiliary device of radioactive solid waste drum conform to the requirements of the strength of materials design， this provided a theoretical basis for the design and finalization of transportation auxiliary devices.

Keywords： finite element method;transport auxiliary device;3D model;mechanical analysis

隨著我國(guó)核軍工、核電及民用核技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在核設(shè)施的運(yùn)行、維護(hù)和退役等過程中產(chǎn)生了一定量的放射性固體廢物，這些放射性廢物需采取運(yùn)輸?shù)姆绞剿偷街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行集中處理。根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，通常采用的運(yùn)輸模式為在廢物運(yùn)輸前將其裝入200L標(biāo)準(zhǔn)廢物桶（以下簡(jiǎn)稱“200L桶”），再采用抱桶叉車將200L桶放置在標(biāo)準(zhǔn)拖掛車上開始道路運(yùn)輸。該運(yùn)輸方式存在運(yùn)輸效率低、安全性差、作業(yè)人員所受輻照時(shí)間長(zhǎng)等問題。為解決上述問題，研制了一套放射性廢物桶運(yùn)輸輔助裝置。為評(píng)價(jià)該裝置的可靠性，本文采用ANSYS軟件對(duì)放射性廢物桶運(yùn)輸輔助裝置進(jìn)行力學(xué)分析，重點(diǎn)考慮關(guān)鍵連接緊固部件的變形和強(qiáng)度。

1 放射性固體廢物運(yùn)輸輔助裝置概述

放射性固體廢物運(yùn)輸輔助裝置主要由托盤、限位擋板、鏈接錨桿、托盤鏈接件、F型固定夾具等組成。放射性運(yùn)輸輔助裝置各部件均選用Q235材料焊接而成，Q235材料性能如表1所示。托盤由規(guī)格為50mm×50mm、壁厚3mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形空心鋼管焊接而成，每個(gè)托盤使用12根這樣的空心鋼管;限位擋板由圓鋼和鐵板組成;鏈接錨桿由直徑為16mm的圓鋼組成;托盤鏈接件由50mm×50mm×5mm的角鋼制成;F型固定夾具包括一個(gè)固定爪和一個(gè)活動(dòng)爪，活動(dòng)爪有一個(gè)絲杠把手用于鎖緊。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 靜力學(xué)分析和強(qiáng)度校核

2.1 模型的建立

根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》中“載貨不超出車輛外觀尺寸”和“半掛車載物高度從地面起不得超過4米”的要求，對(duì)半掛車運(yùn)輸廢物桶的布局總體進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖2）：通過放射性固體廢物運(yùn)輸輔助裝置實(shí)現(xiàn)20個(gè)廢物桶并列，4個(gè)廢物桶并排，形成2×2組合的方形結(jié)構(gòu)單元，單層20個(gè)組合，單層放置80個(gè)桶，2層碼放[1-2]。

由于整體轉(zhuǎn)運(yùn)貨包的有限元網(wǎng)格數(shù)量過于龐大，無法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)此，依據(jù)相應(yīng)力學(xué)原理，對(duì)整體轉(zhuǎn)運(yùn)貨包進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，采用簡(jiǎn)單的上下格架單元的組合體，如此即可驗(yàn)證單元的性能，同時(shí)能建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，采用此方法計(jì)算簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)運(yùn)貨包（2個(gè)上下格架單元的組合體）在特定工況下的強(qiáng)度。將上下格架單元（見圖3）沿汽車橫向左右方向放置2個(gè)單元，稱為“a組合模型”（見圖4）;將上下格架單元沿汽車行進(jìn)方向放置2個(gè)單元，稱為“b組合模型”（見圖5）。

放射性固體廢物運(yùn)輸車輛在運(yùn)輸放射性固體廢物時(shí)通常選擇高速公路、國(guó)道和省道三種路種，根據(jù)車輛行駛時(shí)的極端情況，選擇靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎等四個(gè)特殊工況進(jìn)行力學(xué)分析。

a組合模型：取橫向放置的兩個(gè)單元組，其在靜止、傾斜30°放置、剎車制動(dòng)三種工況下與上下格架單元受力情況一致，因此只對(duì)a模型在急轉(zhuǎn)彎工況下作有限元分析，考察形變與應(yīng)力情況。

b組合模型：取縱向放置的兩個(gè)單元組，其在急轉(zhuǎn)彎、靜止放置兩種工況下與上下格架單元受力情況一致，因此只對(duì)b模型在傾斜30°放置和剎車制動(dòng)兩種工況下作有限元分析，考察形變與應(yīng)力情況[3]。

2.2 網(wǎng)格劃分

該運(yùn)輸輔助裝置網(wǎng)格劃分采用的是三角形網(wǎng)格，設(shè)定Element Size為20mm。上下格架單元模型有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為386 930，網(wǎng)格數(shù)為177 985;a組合模型有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為780 126，網(wǎng)格數(shù)為362 743;b組合模型有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為78 345，網(wǎng)格數(shù)為365 656。結(jié)果如圖6、7、8所示[4]。

2.3 約束條件及載荷

針對(duì)上下格架單元模型，分別對(duì)靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎四種狀態(tài)作靜力分析。各個(gè)狀態(tài)均對(duì)其底部施加位移約束。

針對(duì)a組合模型，在F型夾具處施加位移約束，如圖9所示;在底部施加Y、Z方向位移約束，保留X方向自由度，如圖10所示?？紤]到a模型與上下格架單元模型的相似性，僅對(duì)轉(zhuǎn)彎工況下關(guān)鍵連接緊固部件的變形和強(qiáng)度作靜力分析。

針對(duì)b組合模型，在F型夾具處施加位移約束，如圖11所示;在底部施加Y、Z方向位移約束，保留X方向自由度，如圖12所示?？紤]到b模型與上下格架單元模型的相似性，僅對(duì)傾斜30°和剎車時(shí)關(guān)鍵連接緊固部件的變形和強(qiáng)度作靜力分析[5-6]。

2.4 校核結(jié)果分析

在完成所有前處理后，按照Solution>Solve>Current LS操作對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。格架、托盤鏈接件及F型固定夾具的變形和應(yīng)力情況校核計(jì)算結(jié)果如表2、3、4所示。由于托盤鏈接件和F型固定夾具只有在單元組合工況下使用，所以只分析單元組合情況下限位框架的形變及其許用強(qiáng)度。

由表2、3、4的計(jì)算結(jié)果可以看出，運(yùn)輸輔助裝置的格架單元及其組合在不同工況下的最大形變均小于1mm，最大應(yīng)力均小于Q235材料強(qiáng)度極限，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論與分析

為了提高放射性固體廢物運(yùn)輸?shù)陌踩院透咝裕O(shè)計(jì)了放射性固體廢物桶運(yùn)輸輔助裝置，并利用ANSYS有限元力學(xué)分析方法，對(duì)輔助裝置的結(jié)構(gòu)材料在靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎四種工況下進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，所選材料滿足強(qiáng)度要求。下一步將利用所選材料加工運(yùn)輸輔助裝置開展實(shí)際運(yùn)輸實(shí)踐活動(dòng)。

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