基于有限元法的放射性固體廢物桶運輸輔助裝置的力學分析

曾祥寶 魏川淋

摘 要：針對目前國內放射性固體廢物運輸效率低、安全性低等問題，筆者設計了一種放射性固體廢物桶運輸輔助裝置，建立了運輸輔助裝置的三維模型，并利用ANSYS對該單元進行了有限元力學分析，重點考慮靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動、急轉彎等四個工況下關鍵連接緊固部件的變形和強度。計算結果表明，固體廢物桶運輸輔助裝置的材料強度滿足設計要求，這為運輸輔助裝置的設計定型提供了理論依據。

關鍵詞：有限元法;運輸輔助裝置;三維模型;力學分析

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著我國核軍工、核電及民用核技術產業的發展，在核設施的運行、維護和退役等過程中產生了一定量的放射性固體廢物，這些放射性廢物需采取運輸的方式送到指定地點進行集中處理。根據相關法規和標準，通常采用的運輸模式為在廢物運輸前將其裝入200L標準廢物桶（以下簡稱“200L桶”），再采用抱桶叉車將200L桶放置在標準拖掛車上開始道路運輸。該運輸方式存在運輸效率低、安全性差、作業人員所受輻照時間長等問題。為解決上述問題，研制了一套放射性廢物桶運輸輔助裝置。為評價該裝置的可靠性，本文采用ANSYS軟件對放射性廢物桶運輸輔助裝置進行力學分析，重點考慮關鍵連接緊固部件的變形和強度。

1 放射性固體廢物運輸輔助裝置概述

放射性固體廢物運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。托盤由規格為50mm×50mm、壁厚3mm的標準矩形空心鋼管焊接而成，每個托盤使用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固定爪和一個活動爪，活動爪有一個絲杠把手用于鎖緊。其結構如圖1所示。

2 靜力學分析和強度校核

2.1 模型的建立

根據《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》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，對半掛車運輸廢物桶的布局總體進行設計（見圖2）：通過放射性固體廢物運輸輔助裝置實現20個廢物桶并列，4個廢物桶并排，形成2×2組合的方形結構單元，單層20個組合，單層放置80個桶，2層碼放[1-2]。

由于整體轉運貨包的有限元網格數量過于龐大，無法進行計算。對此，依據相應力學原理，對整體轉運貨包進行適當簡化，采用簡單的上下格架單元的組合體，如此即可驗證單元的性能，同時能建立相應的評價方法，采用此方法計算簡化轉運貨包（2個上下格架單元的組合體）在特定工況下的強度。將上下格架單元（見圖3）沿汽車橫向左右方向放置2個單元，稱為“a組合模型”（見圖4）;將上下格架單元沿汽車行進方向放置2個單元，稱為“b組合模型”（見圖5）。

放射性固體廢物運輸車輛在運輸放射性固體廢物時通常選擇高速公路、國道和省道三種路種，根據車輛行駛時的極端情況，選擇靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動、急轉彎等四個特殊工況進行力學分析。

a組合模型：取橫向放置的兩個單元組，其在靜止、傾斜30°放置、剎車制動三種工況下與上下格架單元受力情況一致，因此只對a模型在急轉彎工況下作有限元分析，考察形變與應力情況。

b組合模型：取縱向放置的兩個單元組，其在急轉彎、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b模型在傾斜30°放置和剎車制動兩種工況下作有限元分析，考察形變與應力情況[3]。

2.2 網格劃分

該運輸輔助裝置網格劃分采用的是三角形網格，設定Element Size為20mm。上下格架單元模型有限元網格劃分節點數為386 930，網格數為177 985;a組合模型有限元網格劃分節點數為780 126，網格數為362 743;b組合模型有限元網格劃分節點數為78 345，網格數為365 656。結果如圖6、7、8所示[4]。

2.3 約束條件及載荷

針對上下格架單元模型，分別對靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動、急轉彎四種狀態作靜力分析。各個狀態均對其底部施加位移約束。

針對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。考慮到a模型與上下格架單元模型的相似性，僅對轉彎工況下關鍵連接緊固部件的變形和強度作靜力分析。

針對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。考慮到b模型與上下格架單元模型的相似性，僅對傾斜30°和剎車時關鍵連接緊固部件的變形和強度作靜力分析[5-6]。

2.4 校核結果分析

在完成所有前處理后，按照Solution>Solve>Current LS操作對模型進行計算。格架、托盤鏈接件及F型固定夾具的變形和應力情況校核計算結果如表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度。

由表2、3、4的計算結果可以看出，運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，最大應力均小于Q235材料強度極限，滿足強度要求。

3 結論與分析

為了提高放射性固體廢物運輸的安全性和高效性，設計了放射性固體廢物桶運輸輔助裝置，并利用ANSYS有限元力學分析方法，對輔助裝置的結構材料在靜止水平放置、傾斜30°放置、剎車制動、急轉彎四種工況下進行了分析。分析結果表明，所選材料滿足強度要求。下一步將利用所選材料加工運輸輔助裝置開展實際運輸實踐活動。

參考文獻：

[1]徐嘉.基于有限元法的分級破碎機分體式機架的靜力學分析[J].選煤技術，2017（5）：13-15.

[2]鄧援超，趙黎明，王雪梅，等.水泥裝車機機架有限元靜力學分析[J].湖北工業大學學報，2017（4）：12-14.

[3]鄒廣平，王鵬，程賀章，等.基于有限元法新型方艙力學性能分析及優化設計[J].兵器材料科學與工程，2014（5）：9-14.

[4]胡倩，肖亞明.低層無比鋼結構的整體力學性能分析[J].工程與建設，2016（3）：297-299.

[5]國家標準局.碳素結構鋼：GB 700—1988[S].北京：國家標準出版社，1988.

[6]中華人民共和國交通部.廠礦道路設計規范：GBJ 22—87[S].北京：中國計劃出版社，1988.