吳偉國(guó)王天琦郭 君陳永備

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 九江332007；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

20 000 t浮動(dòng)核電站駁船與補(bǔ)給船碰撞計(jì)算分析

吳偉國(guó)1王天琦2郭 君2陳永備1

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 九江332007；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

浮動(dòng)核電站駁船作為反應(yīng)堆的承載結(jié)構(gòu)，其耐撞性能與發(fā)生碰撞時(shí)反應(yīng)堆部位的沖擊環(huán)境對(duì)核電站的運(yùn)行安全有十分重要的影響。文章參考俄羅斯即將投入運(yùn)營(yíng)的“羅蒙諾索夫”號(hào)浮動(dòng)核電站的結(jié)構(gòu)形式和布置情況，在ANSYS/LSDYNA中建立了浮動(dòng)核電站駁船與其中的小型核反應(yīng)堆及其主要管路的簡(jiǎn)化有限元模型，對(duì)駁船舷側(cè)在與補(bǔ)給船球鼻首發(fā)生微能碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)的變形損傷情況進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算核反應(yīng)堆關(guān)鍵位置處的沖擊譜，對(duì)碰撞過(guò)程中反應(yīng)堆部位的沖擊環(huán)境進(jìn)行了分析，為管路相關(guān)設(shè)備的沖擊設(shè)計(jì)提供參考。

浮動(dòng)核電站；船舶碰撞；LS-DYNA；舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷；沖擊譜

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求量與日俱增，對(duì)安全、高效、清潔能源的開(kāi)發(fā)也日益關(guān)注重視。核能作為一種高效的能源，在越來(lái)越多的地區(qū)被推廣使用，但傳統(tǒng)的陸上核電站除了存在核輻射污染的環(huán)境問(wèn)題外，當(dāng)發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí)其安全性也倍受人們關(guān)注。與傳統(tǒng)的陸上核電站相比，浮動(dòng)核電站不僅能夠有效避免地震等自然災(zāi)害對(duì)核電站結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損傷以及由此引發(fā)的安全問(wèn)題，而且其占地面積極小、造價(jià)和運(yùn)行成本較低，并可以為海洋油氣平臺(tái)等離岸工程、偏遠(yuǎn)海島、沿海工廠聚集區(qū)、港口城市甚至是大型人工浮島等提供充足的電力，同時(shí)還可以滿足相關(guān)地區(qū)供熱、海水淡化、核能制冷等多元化發(fā)展需求。

浮動(dòng)核電站的安全問(wèn)題一直是人們所關(guān)注的重點(diǎn)，也是浮動(dòng)核電站相關(guān)技術(shù)需要解決的首要問(wèn)題。其中，浮動(dòng)核電站可能發(fā)生的船舶碰撞問(wèn)題是影響其安全的一個(gè)重要因素。本文將通過(guò)LSDYNA顯示動(dòng)力學(xué)分析對(duì)浮動(dòng)核電站駁船與補(bǔ)給船球鼻首的碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷及反應(yīng)堆的沖擊環(huán)境進(jìn)行分析。

1 浮動(dòng)核電站有限元模型的建立

本章將介紹根據(jù)有關(guān)資料所提供的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況所建立的駁船船體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化有限元模型。此外，還將介紹補(bǔ)給船球鼻首與駁船碰撞模型中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

1.1 船體有限元模型的建立

根據(jù)近年來(lái)有關(guān)浮動(dòng)核電站的新聞報(bào)道［1］，可以得到俄羅斯首座浮動(dòng)核電站“羅蒙諾索夫”號(hào)駁船主要的船型參數(shù)：船長(zhǎng)144 m、船寬30 m、吃水5.6 m、排水量21 500 t。

上層建筑的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)中所展示的立體模型圖和剖面圖［2］，結(jié)合已知的主要船型參數(shù)，即可按照比例推斷出其大致尺寸。由此可以對(duì)浮動(dòng)核電站駁船與其上層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立有限元模型。這個(gè)過(guò)程中所使用的參考模型及最終所建立的浮動(dòng)核電站駁船的外形如圖1所示。

圖1 參考模型與建立的浮動(dòng)核電站駁船外形

考慮到浮動(dòng)核電站駁船工作的特殊性，也應(yīng)著重考慮其安全性，因此駁船的底部結(jié)構(gòu)設(shè)置為雙層底，舷側(cè)采用傳統(tǒng)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)。雙層底高度取為1.5 m，肋板的間距設(shè)置為3 m，縱骨間距設(shè)置為1.6 m，縱桁間距取5 m。雙層舷側(cè)間隔取為1.6 m，內(nèi)部沿高度方向每隔2.5 m布置有縱桁，每個(gè)肋位處設(shè)置有豎向的桁材或骨材，不再設(shè)置尺寸更小的加強(qiáng)筋，雙層底與舷側(cè)外板厚度均設(shè)為20 mm。

船體內(nèi)各層甲板下用骨材來(lái)加強(qiáng)。甲板的厚度設(shè)置為18 mm，沿船長(zhǎng)方向每隔3 m設(shè)置甲板橫梁，沿船寬方向每隔1.6 m設(shè)置甲板縱骨，甲板間距設(shè)置為2.5 m。在艙壁間隔特別大的艙室處，甲板縱骨與橫梁尺寸也相應(yīng)地加大，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。

船內(nèi)縱橫艙壁板的厚度同樣設(shè)置為18 mm，橫艙壁的間距一般設(shè)為9 m，縱艙壁間距一般為5 ～10 m，其具體的大小根據(jù)船內(nèi)布置的具體情況而定的。在縱橫艙壁上同時(shí)布置加強(qiáng)筋，以使這些板架的強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)的要求。

上述各部分船體結(jié)構(gòu)有限元模型中所使用到的幾種不同規(guī)格的骨材形式如表1所示。

各層甲板、艙壁、雙層底與舷側(cè)如圖2所示。

表1 駁船船體有限元模型所采用的骨材形式

圖2 各層甲板、縱橫艙壁、雙層底及雙層舷側(cè)

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料［3］介紹，“羅蒙諾索夫”號(hào)浮動(dòng)核電站駁船的艙室大致可分為居住區(qū)、控制室、核反應(yīng)堆區(qū)域、渦輪蒸汽發(fā)電機(jī)艙等區(qū)域。反應(yīng)堆區(qū)域位于船舯，從反應(yīng)堆向船首方向?yàn)闇u輪蒸汽發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備區(qū)域，向船尾方向?yàn)檩o助設(shè)備的區(qū)域及居住區(qū)。這樣布置既可保證浮動(dòng)核電站運(yùn)行所需的安全環(huán)境，且能夠?qū)崿F(xiàn)管路與電纜布局的優(yōu)化。兩個(gè)核反應(yīng)堆被安置于船舯的反應(yīng)堆區(qū)域，每個(gè)核反應(yīng)堆均有獨(dú)立的鋼制密封安全殼。反應(yīng)堆區(qū)域被外圍多層艙室艙壁保護(hù)。根據(jù)上述介紹設(shè)計(jì)并建立的駁船有限元模型，在縱剖面船體內(nèi)部的模型局部和布置情況示意圖如圖3所示。

圖3 船體內(nèi)部布置情況示意圖和模型局部

綜合考慮計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度，船體有限元模型大部分區(qū)域采用的網(wǎng)格大小為0.5 m。在局部區(qū)域如駁船舷側(cè)發(fā)生碰撞處為減少計(jì)算過(guò)程中沙漏能的影響，獲得更加精確的結(jié)果，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。此處最先接觸球鼻首區(qū)域的網(wǎng)格尺寸最小為62.5 mm，向周?chē)饾u增大直至0.5 m。

本文有限元模型中船體結(jié)構(gòu)所采用的材料模型為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，相關(guān)的材料參數(shù)參考船用低碳鋼的有關(guān)屬性，具體數(shù)值如表2所示。

表2 船體結(jié)構(gòu)有限元模型材料的基本屬性

選用的材料考慮到應(yīng)變率敏感性，采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好的，適用于理論分析和數(shù)值計(jì)算并得到了廣泛使用的Cowper-Symonds本構(gòu)方程：

對(duì)于普通的低碳鋼，式（1）中D = 40.4，q = 5［4］。

在利用ANNSYS/LS-DYNA建立有限元模型的過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)的板單元大部分采用的是默認(rèn)的Belytschko單元公式，對(duì)于碰撞區(qū)域的板則采用更適合于大變形的Hughes-Liu單元公式［5］，由于材料的選擇為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，塑性應(yīng)力分布模式在單元厚度方向上并不光滑，因此板單元的積分規(guī)則選擇結(jié)果更準(zhǔn)確的梯形積分［5］。大部分區(qū)域的積分點(diǎn)設(shè)置為5個(gè)，在碰撞處設(shè)置為24個(gè)，目的是降低沙漏能的影響，得到對(duì)碰撞過(guò)程更精確的模擬。

本文的有限元模型中材料的失效準(zhǔn)則選用了材料的失效應(yīng)變。Paik［6］從大量的有限元模型與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，有限元模型的材料失效應(yīng)變是單元尺寸的函數(shù)，而不只由材料本身的性質(zhì)所決定。雖然尚未形成共識(shí)，但一般認(rèn)為單元尺寸越大，失效應(yīng)變的值就應(yīng)越小。

Kitamura［7］做過(guò)一系列準(zhǔn)靜態(tài)穿透和動(dòng)態(tài)跌落試驗(yàn)，然后用有限元模擬這些試驗(yàn)過(guò)程，得出了失效應(yīng)變和單元平均尺寸之間的關(guān)系曲線，如圖4所示［8］。

圖4 失效應(yīng)變與單元平均尺寸關(guān)系曲線

根據(jù)本文碰撞區(qū)域有限元模型所采用的網(wǎng)格尺寸約為60 mm的情況，結(jié)合上述有關(guān)資料的介紹。在本文的有限元模型中，材料失效應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.26。

沙漏控制對(duì)于結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)，基于剛性的沙漏控制比粘性沙漏控制更為有效，通常在使用剛性沙漏控制時(shí)將默認(rèn)的沙漏系數(shù)0.1減小至0.03 ～ 0.05的范圍以獲得更好的效果，這種做法既可同時(shí)具有最小化非物理的硬化響應(yīng)，又可有效抑制沙漏模式。因此，本文的有限元模型所采用的沙漏控制為L(zhǎng)S-DYNA中的類(lèi)型4，沙漏系數(shù)設(shè)置為0.03。

1.2 船舶碰撞模型所采用的參數(shù)

在船舶碰撞分析時(shí)，一般認(rèn)為對(duì)心直角碰撞是最危險(xiǎn)的狀態(tài)［9］，本文所采用的駁船與補(bǔ)給船碰撞的有限元模型即為考慮補(bǔ)給船外伸球鼻首垂直碰撞駁船舷側(cè)的情況，碰撞位置設(shè)置為正對(duì)反應(yīng)堆的舷側(cè)板格中心，與駁船重心位置在駁船中縱剖面內(nèi)偏差不大。除了在與碰撞位置距離較近的駁船底部外，添加了高度方向的位移約束，用以模擬周?chē)黧w對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)的阻礙外，其他方向的自由度均無(wú)約束，撞擊速度方向滿足動(dòng)量守恒的條件。

由于球鼻首的空間形狀相當(dāng)復(fù)雜，難以用一個(gè)解析函數(shù)表達(dá)式將其精確描述。本文中球鼻首空間曲面的模型采用了拋物線z = k·r2，繞z軸旋轉(zhuǎn)生成的拋物面來(lái)近似地表示，其中參數(shù)k可以作為控制球鼻鈍銳程度的形狀系數(shù)。對(duì)于一般的球鼻首，其形狀系數(shù)k的值在0.1 ～ 0.5之間［10］，本文所用的模型中取0.2。

因傳統(tǒng)球鼻首的剛度一般遠(yuǎn)大于舷側(cè)結(jié)構(gòu)，因此在船舶碰撞研究中，通常將球鼻首設(shè)為剛體［11］，這與實(shí)際情況也是較為相符的。本文的計(jì)算模型即采用了這種方式，將補(bǔ)給船的球鼻首簡(jiǎn)化為了剛性撞頭。球鼻首與駁船舷側(cè)接觸面上的網(wǎng)格同樣采用較細(xì)的網(wǎng)格以保證接觸分析的精確度。此外，考慮到補(bǔ)給船質(zhì)量，在球鼻首背面邊緣均勻布置了4個(gè)2 200 t的質(zhì)量點(diǎn)，使此剛性撞頭能夠模擬補(bǔ)給船排水量和發(fā)生碰撞時(shí)所具有的較小附連水質(zhì)量［12］，總計(jì)約8 800 t。采用了面面接觸中自動(dòng)接觸的模式（ASTA）。

在船舶碰撞的研究中，附連水質(zhì)量往往會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此在建立船舶碰撞模型的過(guò)程中需要著重考慮。Minorsky在其有關(guān)船舶碰撞研究開(kāi)創(chuàng)性的論文［13］中提出了船體橫蕩運(yùn)動(dòng)附連水質(zhì)量的計(jì)算公式為myy= 0.4 m，式中：myy為船舶橫蕩運(yùn)動(dòng)的附連水質(zhì)量，m為船舶的排水量。本文的有限元分析模型采用的附連水質(zhì)量設(shè)置為8 400 t約為0.4倍的實(shí)際排水量，將附連水質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的形式均布在被撞擊駁船水線面以下沒(méi)有發(fā)生碰撞的另一舷側(cè)，用以模擬在碰撞過(guò)程中另一舷側(cè)流體的慣性在舷側(cè)外板上的作用。

2 駁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)損傷情況

根據(jù)有限元分析結(jié)果的后處理，浮動(dòng)核電站駁船在與代表補(bǔ)給船球鼻首的剛性撞頭的微能碰撞中，舷側(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的塑性變形，而其他部位的結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生明顯變形。被球鼻首以2.5 m/s的速度，撞擊舷側(cè)結(jié)構(gòu)縱向與豎向桁材所圍成的板格中心后，塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 駁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變?cè)茍D

從圖5可以看出，在補(bǔ)給船球鼻首與駁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的微能碰撞完成后，舷側(cè)外板并未發(fā)生穿透，而只是產(chǎn)生了較大的塑性變形。最先發(fā)生碰撞的中間板格具有較大的塑性應(yīng)變，周?chē)蝗?塊板格長(zhǎng)9 m、高6.5 m的范圍內(nèi)，也有著不同程度的變形，在桁材支撐處的塑性應(yīng)變更大一些。在其他幾個(gè)初始撞擊速度較小的情況下，舷側(cè)外板的變形情況與上述情況基本一致，僅在各階段的發(fā)生時(shí)間與碰撞完成后所到達(dá)的最終狀態(tài)上有所差異。

由于在材料屬性中考慮了失效應(yīng)變，LS-DYNA在進(jìn)行有限元分析計(jì)算的過(guò)程中會(huì)將失效的單元自動(dòng)刪除，在隨后的計(jì)算步中將不再考慮失效單元的作用。在初始碰撞速度為1 m/s和1.5 m/s的情況中，沒(méi)有出現(xiàn)失效的單元。在初始碰撞速度為2 m/s時(shí)出現(xiàn)了極少的單元失效，現(xiàn)象并不明顯，在2.5 m/s初始撞擊速度時(shí)，出現(xiàn)了明顯的單元失效現(xiàn)象。

當(dāng)初始撞擊速度為2.5 m/s時(shí)，碰撞過(guò)程完成后，雙層舷側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

圖6 雙層舷側(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變?cè)茍D

可以看出：在雙層舷側(cè)內(nèi)，縱向與豎向桁材承受了較大的應(yīng)力、發(fā)生較大的塑性應(yīng)變。在兩者交叉所形成的十字結(jié)構(gòu)根部，部分單元出現(xiàn)了失效。

該現(xiàn)象可以解釋為：這部分結(jié)構(gòu)作為沿撞擊速度方向較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，在碰撞過(guò)程中承擔(dān)了更多撞擊力由舷側(cè)外板向內(nèi)的傳遞。且在交叉結(jié)構(gòu)的根部，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此，該位置處局部單元將會(huì)較早產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)變，從而導(dǎo)致這些單元失效。

3 浮動(dòng)核電站沖擊環(huán)境的分析

在浮動(dòng)核電站駁船與補(bǔ)給船碰撞計(jì)算分析中，除了駁船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的變形損傷情況是碰撞過(guò)程重點(diǎn)研究的對(duì)象外，核反應(yīng)堆部位關(guān)鍵部位的沖擊環(huán)境也需要進(jìn)行分析。

3.1 核反應(yīng)堆有限元模型的建立

“羅蒙諾索夫”號(hào)浮動(dòng)核電站配有兩座型號(hào)為KLT-40S的小型核反應(yīng)堆，它是由俄羅斯Afrikantov OKBM（阿夫里坎托夫機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)局）設(shè)計(jì)的。

單座反應(yīng)堆的熱功率為150 MWt，并能產(chǎn)生35 MWe的電力用于供電或海水的淡化。它的堆芯采用了四環(huán)路強(qiáng)迫循環(huán)的方式進(jìn)行冷卻，并依靠對(duì)流進(jìn)行應(yīng)急冷卻［14］。

KLT-40S是一個(gè)二回路的輕水反應(yīng)堆，反應(yīng)堆壓力容器通過(guò)短接管與四臺(tái)蒸汽發(fā)生器和四臺(tái)主泵進(jìn)行連接。其結(jié)構(gòu)模型的示意圖如圖7所示［14］。

圖7 KLT-40S結(jié)構(gòu)模型示意圖

該反應(yīng)堆的壓力容器由殼體、頂蓋、可移動(dòng)部件、堆芯、補(bǔ)償聯(lián)動(dòng)裝置及堆芯驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，殼體是由鍛壓和焊接而成的。蒸汽發(fā)生器是一個(gè)線圈型并流熱交換器，在管系內(nèi)產(chǎn)生蒸汽。蒸汽發(fā)生器內(nèi)部的管道是用鈦合金制造的，形狀像圓柱型螺旋線圈。除此之外其他相關(guān)的罐體還包括主泵、安注箱和穩(wěn)壓器等相關(guān)配套設(shè)備。除此之外其他相關(guān)的罐體還包括主泵、安注箱和穩(wěn)壓器等相關(guān)配套設(shè)備。該反應(yīng)堆裝置采用組件型堆芯，使用陶瓷金屬燃料和濃度＜20%的濃縮鈾，符合不擴(kuò)散要求［15］。

KLT - 40S反應(yīng)堆二回路所采用的蒸汽管線布置情況，以及反應(yīng)堆上部的結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示［14］。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［3］的介紹，反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)高3 892 mm，內(nèi)徑1 920 mm，圓柱殼壁厚128 mm，反應(yīng)堆所在安全殼的總尺度為12 m× 7.92 m×12 m。其他相關(guān)參數(shù)由以上數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行設(shè)定，最終所得到的反應(yīng)堆一回路管道與相關(guān)罐體的模型如圖9所示。

圖8 KLT-40S二回路管路布置與上部結(jié)構(gòu)

圖9 反應(yīng)堆一回路管道與相關(guān)罐體模型

反應(yīng)堆二回路與蒸汽發(fā)生器相連的若干管路的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)上述介紹及相關(guān)圖片可大致確定。在建模的過(guò)程中取與每個(gè)蒸汽發(fā)生器相連的一粗一細(xì)兩條管路進(jìn)行建模，總共8條。具體參數(shù)根據(jù)圖片中所顯示的比例與資料中所介紹的已知參數(shù)，在模型中設(shè)定為：粗管外徑90 mm、內(nèi)徑60 mm，細(xì)管外徑60 mm、內(nèi)徑40 mm，單元類(lèi)型選用梁?jiǎn)卧?，網(wǎng)格劃分較細(xì)以便于更加真實(shí)地模擬實(shí)際情況。

反應(yīng)堆各結(jié)構(gòu)所選用的材料與船體相同。最終建立的反應(yīng)堆相關(guān)管路簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)有限元模型如圖10所示。

圖10 反應(yīng)堆相關(guān)管路簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 反應(yīng)堆關(guān)鍵部位沖擊譜的計(jì)算

通過(guò)對(duì)有限元分析結(jié)果的后處理，可以得到浮動(dòng)核電站駁船內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置處的加速度時(shí)歷曲線，經(jīng)濾波后再利用相關(guān)的的MATLAB程序進(jìn)行計(jì)算，即可得到其所對(duì)應(yīng)的的加速度譜、速度譜以及相應(yīng)的三折線設(shè)計(jì)譜等數(shù)據(jù)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［16］的介紹，核電站所使用的儀表閥門(mén)是一種特殊的工業(yè)設(shè)備，需要考慮其在惡劣環(huán)境中的可靠性，抗沖擊分析是安全評(píng)審的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。因此，關(guān)于沖擊環(huán)境的分析重點(diǎn)考察核反應(yīng)堆相關(guān)管路中，可能安裝儀表閥門(mén)等部件的位置處沖擊環(huán)境的情況。

本文有關(guān)沖擊環(huán)境的分析計(jì)算，選用初始撞擊速度為2 m/s時(shí)的有限元模型分析所得的結(jié)果?？疾禳c(diǎn)選擇了三個(gè)比較有代表性的點(diǎn)，它們?cè)诟?dòng)核電站駁船反應(yīng)堆區(qū)域的位置如圖11所示。

圖11 各考察點(diǎn)在核反應(yīng)堆中的位置示意圖

其中A點(diǎn)位于距離右舷撞擊位置較近的反應(yīng)堆中二回路的粗管上；B點(diǎn)位于距離駁船被撞擊位置較遠(yuǎn)的另一舷側(cè)的反應(yīng)堆中二回路的粗管上；C點(diǎn)位于距離右舷撞擊位置較近的反應(yīng)堆中二回路的細(xì)管上。

上述三個(gè)位于反應(yīng)堆管路上的考察點(diǎn)，在碰撞過(guò)程中沿高度方向加速度時(shí)歷曲線形狀大致相同，以點(diǎn)A的加速度時(shí)歷曲線為例，如圖12所示。

圖12 A點(diǎn)的加速度時(shí)歷曲線

根據(jù)上述每個(gè)位置處，加速度時(shí)歷曲線中的1 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間與加速度的數(shù)值，利用MATLAB所編寫(xiě)的相關(guān)程序，計(jì)算得到A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的加速度譜，即不同頻率與其所對(duì)應(yīng)的最大加速度的關(guān)系曲線，依次如圖13所示。

圖13 各考察點(diǎn)的加速度譜

從圖中可以看出，各考察點(diǎn)加速度譜的走勢(shì)大致相同，在頻率較高時(shí)加速度幅值較大。隨著頻率的增大，加速度數(shù)值的變化逐漸趨于穩(wěn)定。此外，通過(guò)計(jì)算A點(diǎn)所提取的加速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，還可以得到該位置處的沖擊譜，即速度譜（如圖14所示），其他兩點(diǎn)與其形式類(lèi)似。

圖14 A點(diǎn)的速度譜

從圖中可以看出，各考察點(diǎn)速度譜的走勢(shì)大致相同，中間范圍的頻率所對(duì)應(yīng)的速度響應(yīng)幅值較大，在高頻時(shí)速度響應(yīng)的幅值逐漸減小。

除加速度與速度外，通過(guò)對(duì)已有數(shù)據(jù)的計(jì)算，也可以得到A點(diǎn)的位移譜（見(jiàn)圖15），其他兩點(diǎn)與其形式類(lèi)似?？梢?jiàn)，各考察點(diǎn)的位移在低頻范圍內(nèi)較大，隨著頻率增加，頻率所對(duì)應(yīng)的位移幅值逐漸減小。

圖15 A點(diǎn)的位移譜

在艦載設(shè)備或陸上建筑物的抗沖擊設(shè)計(jì)中，提供給設(shè)計(jì)方的數(shù)據(jù)要包括能引起結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)的沖擊激勵(lì)。以此作為抗沖擊設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)輸入，進(jìn)而考核結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。設(shè)計(jì)沖擊譜可以作為這種沖擊激勵(lì)最好的表現(xiàn)形式。

設(shè)計(jì)譜本身是一種含有人為和統(tǒng)計(jì)因素的三折線圖譜，設(shè)計(jì)譜中的三折線分別對(duì)應(yīng)的是低、中、高這三個(gè)頻段，在低頻段內(nèi)表現(xiàn)出的有限位移D、中頻段內(nèi)表現(xiàn)出的是有限速度V、高頻段內(nèi)則表現(xiàn)出的有限加速度A，在設(shè)計(jì)譜中包含位移、速度、加速度這些最基本的沖擊輸入，因而它是在考核結(jié)構(gòu)抗沖擊性能時(shí)，一種簡(jiǎn)單有效的沖擊輸入表現(xiàn)形式，為將上述譜值在圖中簡(jiǎn)明地表示出來(lái)，通常將三個(gè)譜值繪制在一個(gè)對(duì)數(shù)圖譜中［17］。各譜值間存在的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）、式（3）所示。

上述三個(gè)位置處的設(shè)計(jì)譜，根據(jù)設(shè)計(jì)沖擊譜的相關(guān)概念，同樣可以由已有的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。A點(diǎn)的設(shè)計(jì)沖擊譜如圖16所示，其他兩點(diǎn)與其形式類(lèi)似。

圖16 各考察點(diǎn)的設(shè)計(jì)沖擊譜

3.3 反應(yīng)堆相關(guān)管路沖擊環(huán)境分析

通過(guò)對(duì)后處理所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到了各考察點(diǎn)處有關(guān)的沖擊譜，可以為浮動(dòng)核電站反應(yīng)堆在船舶碰撞時(shí)沖擊環(huán)境的評(píng)價(jià)和管路相關(guān)設(shè)備的沖擊設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

相關(guān)文獻(xiàn)［16］在對(duì)核級(jí)儀表閥的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，所采用的沖擊加速度與頻率的激勵(lì)數(shù)據(jù)，在頻率高于100 Hz時(shí)達(dá)到1 000 m/s2左右，與圖13所示本文計(jì)算所得加速度譜峰值的情況相當(dāng)。因此，根據(jù)本文有限元分析所得結(jié)果計(jì)算出的沖擊譜，與相關(guān)核級(jí)設(shè)備抗沖擊分析時(shí)所采用的沖擊激勵(lì)大小具有相同的數(shù)量級(jí)。這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了在對(duì)浮動(dòng)核電站反應(yīng)堆相關(guān)管路的沖擊環(huán)境進(jìn)行分析時(shí)，利用本文的船舶碰撞模型所得數(shù)據(jù)的合理性。

相關(guān)文獻(xiàn)［18］介紹了陸上核電設(shè)備的抗震試驗(yàn)，其中所提到的核級(jí)風(fēng)機(jī)在進(jìn)行安全停堆地震SSE考核試驗(yàn)時(shí)，X方向人工地震波及其反應(yīng)譜如圖17所示［18］。其中所采用的激勵(lì)輸入數(shù)據(jù)根據(jù)的是設(shè)計(jì)院提供的模擬地震作用，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為40 s，強(qiáng)震部分持續(xù)時(shí)間為15 s。

圖17 人工地震波及其反應(yīng)譜

對(duì)比圖17與上文中的圖12和圖13的有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，浮動(dòng)核電站駁船在與補(bǔ)給船球鼻首碰撞的過(guò)程中，核反應(yīng)堆相關(guān)管路的加速度時(shí)歷曲線和加速度譜的峰值，均遠(yuǎn)大于陸上核電站在地震時(shí)所承受的峰值，但船舶碰撞激勵(lì)持續(xù)時(shí)間一般為1 s左右，遠(yuǎn)小于地震波激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間。

因此，在浮動(dòng)核電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中雖然不需要考慮地震波對(duì)核反應(yīng)堆的影響，但要考慮到發(fā)生船舶碰撞時(shí)，核反應(yīng)堆內(nèi)部管路等結(jié)構(gòu)所承受的瞬時(shí)較大的加速度。因此要通過(guò)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的合理布置以及能夠減小沖擊載荷的緩沖結(jié)構(gòu)的使用，盡可能地改善核反應(yīng)堆管路系統(tǒng)作為相關(guān)設(shè)備基礎(chǔ)時(shí)的沖擊環(huán)境，保障浮動(dòng)核電站的安全運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文參考俄羅斯即將投入運(yùn)營(yíng)的“羅蒙諾索夫號(hào)”浮動(dòng)核電站的結(jié)構(gòu)形式和布置情況，根據(jù)相關(guān)資料所介紹的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)并建立了浮動(dòng)核電站駁船與補(bǔ)給船碰撞的有限元模型。

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對(duì)雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)在與球鼻首發(fā)生直角對(duì)心微能碰撞過(guò)程中的變形及損傷情況進(jìn)行了分析。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和所采用的撞擊速度等參數(shù)，得到的結(jié)論主要包括：

（1）在撞擊速度不大于2.5 m/s時(shí)駁船舷側(cè)外板不會(huì)發(fā)生破裂，僅在撞擊部位及相鄰板格處產(chǎn)生較大塑性變形。

（2）在撞擊速度為2.5 m/s時(shí)雙層舷側(cè)內(nèi)部十字結(jié)構(gòu)根部應(yīng)力集中處，部分單元發(fā)生了失效，在撞擊速度較小時(shí)沒(méi)有明顯的單元失效現(xiàn)象發(fā)生。

（3）本文在通過(guò)數(shù)值仿真方法分析船舶碰撞問(wèn)題的過(guò)程中，所采用的方法及相關(guān)參數(shù)的選擇，對(duì)于同類(lèi)問(wèn)題的研究有著一定的參考價(jià)值。

通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆相關(guān)管路考察點(diǎn)加速度時(shí)歷曲線進(jìn)行處理，得到了相應(yīng)位置處的一系列沖擊譜。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可獲得的結(jié)論主要包括：

（1）與地震波激勵(lì)相比，船舶碰撞激勵(lì)所引起的反應(yīng)堆相關(guān)管路加速度時(shí)歷曲線和加速度譜的峰值要大很多，但激勵(lì)持續(xù)時(shí)間則要少很多。

（2）本文得到的數(shù)據(jù)，還可作為管路上相關(guān)設(shè)備在進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)時(shí)所采用的激勵(lì)輸入，以此來(lái)對(duì)這些核級(jí)設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

本文所開(kāi)展的各項(xiàng)工作，為評(píng)估浮動(dòng)核電站在運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的船舶碰撞問(wèn)題提供參考，有利于在浮動(dòng)核電站的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)一步完善相關(guān)結(jié)構(gòu)在發(fā)生碰撞時(shí)的性能，從而保障浮動(dòng)核電站的安全運(yùn)行。

［1］焦旭.首座浮式海上核電站2016年運(yùn)行［N］.中國(guó)能源報(bào)，2013-07-15.

［2］佚名.什么是浮式核電站［J］.能源，2014（7）：34-35.

［3］OKBM.KLT-40S Design Description ［EB］.2013，http：//www.docin.com/p-1436662828.html.

［4］王自力，顧永寧.應(yīng)變率敏感性對(duì)船體結(jié)構(gòu)碰撞性能的影響［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（12）：1704-1707.

［5］張鵬，周德源.基于ANSYS/LS-DYNA的護(hù)欄沖擊模擬分析精度研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008（4）：147-152，163，176-177.

［6］Paik J.K.Petersen P T.Modeling of the internal Mechanics in Ship Collision［J］.Ocean Engineering，1996（2）：107-42.

［7］Kitamura O.FEM approach to the simulation of collision and grounding damage［J］.Marine Structure，2002（15）：403-428.

［8］胡紫劍.雙殼舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

［9］楊飛，尤小健，國(guó)占東，等.船舶碰撞研究中的若干問(wèn)題［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011（08）：182-187.

［10］江華濤，顧永寧.船舶碰撞緩沖型球鼻艏概念探討——球鼻曲率對(duì)碰撞的影響［J］.中國(guó)造船，2003（02）：27-34.

［11］葉文兵.典型船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)耐撞性能研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［12］Petersen M J.Dynamic of Ship Collision［J］.Ocean Engineering，1982（4）：295-329.

［13］Minorsky V U.An Analysis of Ship Collision to Protection of Nuclear Power Plant［J］.Journal of Ship Research，1959（2）：1-4.

［14］中原公司.俄羅斯KLT-40S介紹［EB］.2012，http：//www.czec.com.cn/xztd/gjdt/683.htm.

［15］張炎.俄羅斯KLT-40型浮動(dòng)式核電廠［J］.國(guó)外核新聞，2004（5）：14-16.

［16］余宏兵，章茂森，靳淑軍，等.核級(jí)儀表閥在極限環(huán)境下的抗沖擊強(qiáng)度分析［J］.通用機(jī)械，2015（4）：71-73.

［17］李兆俊，汪玉，陳學(xué)德，等.管路系統(tǒng)沖擊設(shè)計(jì)方法分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2008（9）：171-174，192.

［18］劉中華.核電設(shè)備抗震試驗(yàn)與計(jì)算分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

Collision analysis of 20 000 tonnage fl oating nuclear power plant barge collided by supply ship

WU Wei-guo1WANG Tian-qi2GUO Jun2CHEN Yong-bei1
（1.Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang 332007，China；2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

The floating nuclear power plant barge is the load-bearing structure of nuclear reactors.The crash worthiness of the floating nuclear power plant barge and the shock environment of the reactor site during the collision have great impact on the operation safety of the nuclear power plant.This paper takes the structure and arrangement of the floating nuclear power plant “Akademik Lomonosov” of Russia as reference，which will soon be put into operation.The simplified finite element modelling of the floating nuclear power plant barge，the small nuclear reactor，and the main pipelines are built in ANSYS/LS-DYNA.The structural deformation and damage in the minor collision of the broadside of the barge with the bulb bow of the supply ship is then analyzed.And the shock spectra of the critical positions in the nuclear reactors are calculated to analyze the shock environment of the reactor site during the collision，which can provide references for the shock design of the equipments relating to the pipelines.

floating nuclear power plant； ship collision； LS-DYNA； side structure damage； shock spectrum

U661.43

A

1001-9855（2016）05-0033-11

2016-06-05；

2016-06-24

吳偉國(guó)（1981-），男，碩士，講師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王天琦（1994-），男，研究方向：船舶振動(dòng)與沖擊。郭 君（1981-），男，博士，副教授，研究方向：船舶振動(dòng)與沖擊。陳永備（1969-），男，副教授，研究方向：制冷空調(diào)及熱能動(dòng)力。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.033