賈占舉， 徐江， 吳光輝， 王涵之， 何風(fēng)， 顧文露， 楊輝青

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都610005）

0 引言

核電站的放射性廢物最少化與工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理水平密切相關(guān)[1]，因此在群堆模式下，需要完成對(duì)各工號(hào)產(chǎn)生的放射性廢物進(jìn)行收集、打包，并轉(zhuǎn)運(yùn)至放射性廢物處理設(shè)施進(jìn)行集中處理后轉(zhuǎn)運(yùn)至?xí)捍鎺?kù)暫存。集中處理后的廢物包形式主要有廢物鋼桶[2]及廢物鋼箱[3]。

廢物體及廢物包在各設(shè)施間的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中頻繁使用到固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車。其中車身是廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車的關(guān)鍵總成，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是評(píng)價(jià)車輛安全性的重要指標(biāo)之一[4]，此外因?yàn)榉派湫云帘蔚确矫嬉螅瑥U物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身剛度也是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，因廢物包質(zhì)量較大，車身剛度不足時(shí)遇到道路顛簸可能會(huì)發(fā)生大變形，影響廢物轉(zhuǎn)運(yùn)安全。同時(shí)，固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身剛度低也會(huì)導(dǎo)致整車固有頻率低，行駛過(guò)程中振動(dòng)增加，對(duì)廢物安全轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生不利影響[5]。

本文利用有限元法，首先借助Hypermesh對(duì)車身進(jìn)行離散，得到有限元模型，進(jìn)而在ABAQUS中完成了車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)分析，結(jié)果表明，廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求。

1 數(shù)值模型建立

本文采用有限元法對(duì)車身進(jìn)行剛度計(jì)算，首先借助Hypermesh軟件完成了車身的工藝數(shù)模網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到車身的薄板特性，在Hypermesh中對(duì)車身板殼抽中面后使用板殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同時(shí)，為了提高計(jì)算精度減少誤差，網(wǎng)格劃分以四邊形單元為主、三角形單元為輔進(jìn)行離散，平均單元尺寸為6 mm，焊接采用WELD和RBE2單元模擬[6]。離散完成后四邊形單元422 849個(gè)，三角形單元14 369個(gè)，三角形單元比例3.3%。車身數(shù)模及有限元模型如圖1所示。

圖1 車身數(shù)模及有限元模型

廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身主體材料為ST13及ST14，其力學(xué)特性如表1所示。

表1 車身材料特性

為了更準(zhǔn)確地評(píng)估剛度計(jì)算結(jié)果，本次分析在車身分布了一系列考核點(diǎn)，分列車身左右側(cè)共8組16個(gè)點(diǎn)，其位置如圖2所示。

圖2 考核點(diǎn)在車身的分布

2 轉(zhuǎn)運(yùn)車車身彎曲剛度分析

2.1 彎曲剛度有限元分析邊界條件

固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身彎曲剛度主要考察車身縱向的承載能力和抗彎能力。若彎曲剛度不足，承載能力會(huì)降低，將直接影響整車的疲勞強(qiáng)度，降低整體的使用性能[7]。

為了在加載時(shí)避免應(yīng)力集中及方便施加約束條件，在前后懸約束位置及駕駛室與貨箱的加力位置分別建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)的RBE3單元聯(lián)合體。

彎曲剛度計(jì)算的約束條件：在前懸架彈簧支座處約束X、Y、Z向移動(dòng)自由度，在鋼板彈簧安裝處約束Z向移動(dòng)自由度。

彎曲剛度計(jì)算的加載條件：彎曲工況中，駕駛室的施力物體是乘客與座椅，施力方式是總重通過(guò)座椅與車身連接處施加在車身地板上，一個(gè)座椅和一個(gè)乘客共重100 kg，同時(shí)需要乘以動(dòng)載系數(shù)2.5，力的加載位置在座椅安裝處共8個(gè)，每個(gè)位置載荷為612.5 N；貨箱的施力物體是桶裝貨包，最大載貨量1670 kg，將16 415 N平均施加于貨箱地板上，如圖3所示。

圖3 固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身彎曲剛度有限元分析邊界條件

2.2 分析結(jié)果

在彎曲工況下，廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車的車身Z向變形圖如圖4所示。通過(guò)變形云圖可以看出，轉(zhuǎn)運(yùn)車車身位移等值線過(guò)渡自然，無(wú)突變，說(shuō)明車身變形狀態(tài)良好。車身最大撓度值為1.262 mm。根據(jù)彎曲剛度計(jì)算公式為

得到廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身彎曲剛度EI=（612.5×8+16415）÷1.262=16890 N/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

以考核點(diǎn)的X坐標(biāo)值為橫坐標(biāo)，以車身彎曲時(shí)在各考核點(diǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為縱坐標(biāo)，得到彎曲變形曲線，如圖5所示。

圖4 車身Z向變形圖

圖5 彎曲工況車身底部撓度曲線圖

從彎曲工況車身底部撓度曲線圖看，曲線無(wú)突變，彎曲變形良好。車身兩側(cè)變形一致，在彎曲工況下沒有傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。

3固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身扭轉(zhuǎn)剛度分析

3.1 扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析邊界條件

車身扭轉(zhuǎn)剛度主要考察車身的抗扭性能。如果扭轉(zhuǎn)剛度不足，會(huì)引起門框、貨箱變形過(guò)大，導(dǎo)致車門卡死、密封不嚴(yán)，進(jìn)而使貨包振動(dòng)。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算的約束條件：在鋼板彈簧安裝處約束X、Y、Z移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在保險(xiǎn)杠中間約束Z向自由度。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算的加載條件：計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，施加的載荷是在左右前懸架彈簧支座處一對(duì)大小相等方向相反的鉛垂力。需要施加的轉(zhuǎn)矩值T=0.5×前軸最大載荷×輪距=4131.68 N·m，左右前懸支點(diǎn)距離為1035.99 mm，需要施加集中力大小為3988.15 N。因此，在前左懸架彈簧支座處施加Z向大小為3988.15 N的集中力，在前右懸架彈簧支座處施加-Z向大小為3988.15 N的集中力，如圖6所示。

3.2 分析結(jié)果

在扭轉(zhuǎn)工況下，廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車的車身Z向變形圖如圖7所示。通過(guò)變形云圖可以看出，轉(zhuǎn)運(yùn)車車身位移等值線過(guò)渡自然，無(wú)突變，說(shuō)明車身變形狀態(tài)良好。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為

式中，θ為扭角，θ＝arctan[（|Z1-Z2|）/Y]，其中Z1、Z2為左右加載點(diǎn)Z向位移，Y為左右加載點(diǎn)Y向距離。

計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)剛度為14574 N·m/（°）。

車身扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角隨考核點(diǎn)的X坐標(biāo)值的變化關(guān)系如圖8所示。

圖6 固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析邊界條件

圖7 車身Z向變形圖

圖8 扭轉(zhuǎn)工況變形曲線圖

從扭轉(zhuǎn)變形曲線看，曲線無(wú)突變，該車扭轉(zhuǎn)變形良好，最大扭轉(zhuǎn)角為0.162°，在設(shè)計(jì)工況下不會(huì)發(fā)生較大變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身模態(tài)分析

固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中要保證轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的安全，并要求車身振動(dòng)小運(yùn)行平穩(wěn)來(lái)減少轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)長(zhǎng)，從而減少人員受照時(shí)間。車身的模態(tài)和振動(dòng)密切相關(guān)，如果車身模態(tài)不和廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)廢物時(shí)激振頻率相同，那么廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身將不發(fā)生共振，振動(dòng)就很小。

車身模態(tài)是固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車的固有特性，與載荷和阻尼無(wú)關(guān)，因此不加載相關(guān)的邊界條件[8]。此外，考慮到廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)行時(shí)激振頻率一般較低，因此我們只分析前15階的頻率振型，分析結(jié)果如表2所示。

可以得到，整車扭轉(zhuǎn)模態(tài)（1階）為39.878 Hz，整車彎曲模態(tài)（1階）為46.326 Hz，比實(shí)際情況中大部分的激振頻率要高，不會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象。其他階數(shù)振型為車身部件局部振動(dòng)，對(duì)整車模態(tài)影響較小。

表2 固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身模態(tài)分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于有限元法對(duì)固體廢物轉(zhuǎn)運(yùn)車車身性能進(jìn)行了驗(yàn)證分析。首先基于Hypermesh建立了車身有限元模型，然后分別對(duì)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)論如下：

1）車身的彎曲剛度為16 890 N/mm，車身扭轉(zhuǎn)剛度為14 574 N·m/（°），滿足設(shè)計(jì)要求。

2）設(shè)計(jì)工況下彎曲變形曲線和扭轉(zhuǎn)變形曲線均無(wú)突變，不會(huì)發(fā)生較大變形，滿足安全使用要求。

3）整車扭轉(zhuǎn)模態(tài)（1階）為39.878 Hz，整車彎曲模態(tài)（1階）為46.326 Hz，比實(shí)際情況大部分的激振頻率要高，不會(huì)引發(fā)共振現(xiàn)象。