一種醫療放射源運輸容器沖擊試驗和數值仿真

李國強，李志強，羅曉渭

(1.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006； 2.太原理工大學，山西 太原 030024)

放射性物品運輸的安全性一直是國際社會重視的問題，而運輸容器的安全性能是運輸安全的核心。我國針對放射性物品的運輸實行分類管理[1-2]，并主要根據國際原子能機構《放射性物質安全運輸條例》SSR-6[3]、《放射性物質安全運輸條例咨詢材料》SSG-26[4]和我國國家標準《放射性物品安全運輸規程》GB 11806[5]的技術要求對運輸容器進行設計和試驗。

運輸容器沖擊試驗模擬是一個高度的非線性問題，包含了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。不同的屈服準則和材料本構模型對計算精度和結果評價具有非常重要的影響。我國已有學者采用顯式動力有限元方法研究了核容器在跌落和沖擊試驗中的力學行為[6-8]、有限元法在沖擊中的仿真計算[9]和強度準則相對誤差[10]。本文針對柱形雙層結構的放射源運輸容器，應用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA和試驗相結合的方法，研究了容器抵抗運輸事故條件下的沖擊能力。

1 容器結構

運輸容器由內容器和外容器組成，如圖1所示。內容器外形尺寸為φ645 mm×892 mm，質量約2 700 kg。外容器外形尺寸為φ1 141 mm×1 206 mm，質量約 900 kg。運輸容器允許裝載醫療用60Co密封放射源，放射源等級不低于GB 4075的E63535級，總活度不超過 444 TBq(12 000 Ci)。根據GB 11806和SSR-6，運輸容器滿載時屬于B型貨包。

圖1 運輸容器結構Fig.1 Schematic of container

內容器為鋼-鉛-鋼結構，利用內外殼體的鋼結構材料及其中間填充的鉛屏蔽層實現貨包的屏蔽功能。內容器呈圓柱狀，上開口，內、外腔殼體為 10 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼，內外殼之間澆鑄的鉛厚度為 220 mm。內容器上口由鉛塞封堵，鉛塞上板厚 36 mm、下板厚 16 mm、側壁厚 6 mm，材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，中間澆鑄屏蔽材料鉛。儲存放射源的吊籃安裝于鉛塞下底板上，吊籃為1Cr18Ni9Ti不銹鋼柱，側壁開有安裝放射源的源杯。

外容器為雙層結構柱形的箱體，內部襯有松木板，在松木板和內壁之間襯有防火用的耐火纖維毯。外容器內、外殼體為 8 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼，內外殼之間的木層厚度為 74.5 mm，耐火纖維毯厚度為15 mm。上蓋為外層厚10 mm和內層厚 8 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼，中間夾 75 mm厚的木板和 15 mm厚的硅酸鋁纖維毯。底板為2層厚12 mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼，中間夾75 mm厚的木板和15 mm厚的硅酸鋁纖維毯。

外容器上蓋與筒體間采用鉸鏈連接，并用6個活節螺栓緊固連接，螺栓性能等級為A2-70，規格M30×120 mm。

內容器上鉛塞的固定螺栓材質為不銹鋼，性能等級為A2-70，規格M8×45 mm。

2 沖擊試驗要求

根據GB 11806和SSR-6，B型貨包容器首次使用前需驗證容器經受運輸事故條件能力的試驗。驗證容器經受運輸事故條件能力的力學試驗中的自由下落試驗I(即沖擊試驗)，要求容器自由下落至剛性靶上，容器最低端至靶上表面的下落距離為9 m，剛性靶表面為平坦的水平平面，以使容器受到最嚴重的損壞。

試驗的目的是驗證容器經受沖擊試驗的能力，以保證容器在試驗后具有足夠的屏蔽和包容性能。根據GB 11806和SSR-6的要求，容器經受沖擊試驗后，應保證在滿載60Co時，距容器表面1 m處的輻射水平不會超過10 mSv/h，一周內60Co的累積漏失不大于0.4 TBq。

該運輸容器設計為內、外雙容器結構，在運輸事故條件下，由內容器承擔屏蔽和包容功能，外容器為內容器提供保護。由于運輸的60Co密封放射源屬于特殊形式放射性物品，放射源自身的包殼能夠在運輸事故條件下包容放射性鈷粒子，只要內容器螺栓不全部斷裂或脫落失效、容器壁不斷裂，內容器屏蔽層厚度沒有超過10 mm的減小變形，則能夠保持足夠的包容和屏蔽能力，滿足GB 11806和SSR-6的要求。

應用第四強度理論，采用Von.Misses等效應力來分析容器結構材料和螺栓的受力，以及容器變形。在沖擊試驗中，內容器內壁和螺栓受力不應超過材料抗拉強度。

3 數值模擬

3.1 有限元模型

按照容器實際結構建立了全尺寸的有限元模型，考慮到容器幾何模型和試驗工況的對稱性，計算使用了1/2模型，并簡化了定位銷和鉸鏈，模型如圖2所示。網格劃分主要采用六面體非結構化網格，單元總數為49 733，節點數為54 720。不銹鋼材料模型采用基于應變率效應的Cowper-Symonds模型。木材采用了各向異性的彈塑性本構模型。各部件材料的力學性能參考文獻[6]。各部件以及螺栓與被連接件之間通過設置面對面接觸建立連接關系。對稱面設置對稱邊界條件。計算采用隱式―顯式轉換求解，即首先通過隱式算法求解螺栓預緊力產生的初始應力，接著采用顯式求解器模擬具有預應力貨包的自由下落過程。容器從 9 m高自由下落，著地沖擊速度13.4 m/s作為計算的初始速度。

圖2 1/2對稱容器的有限元模型Fig.2 Finite element model for the 1/2 symmetric structure

3.2 計算結果

容器頂角下落姿態為外容器頂角著地，沖擊點位于兩個螺栓中間，容器重心與沖擊點的連線垂直于靶面，側面與靶面的夾角為53°(圖7)。仿真模擬計算給出了貨包的應力云圖和應變云圖、外容器沖擊點的變形量和螺栓的應力圖。

容器頂角下落受到最大應力為 488 MPa (圖3)，發生在與剛性靶面接觸的外容器上蓋的頂角處，大于材料屈服強度 205 MPa，沖擊部位將屈服變形，其產生的應變最大為 0.75 (圖4)。從圖3可以明顯看出，外容器的頂角處已明顯卷曲，但是內容器的內殼應力最大為 62.5 MPa。貨包頂角下落時的變形量最大為 45.9 mm(圖5)。外容器2個螺栓最大應力為 434 MPa(圖6)，超過了材料的屈服強度，極有可能發生失效。

圖4 計算應變Fig.4 Strain results from simulated calculation

圖5 外容器沖擊點的最大變形量Fig.5 Maximum deformation at impact position of the outer container

圖6 螺栓的應力圖(Pa)Fig.6 Stress of the bolts(Pa)

4 試驗

4.1 試驗裝置

自由下落試驗設施位于中國輻射防護研究院榆次試驗基地。該設施根據IAEA 的SSR-6、SSG-26和我國GB 11806對力學試驗設施的相關技術要求建造[11]。

下落試驗靶為剛性平面靶，靶表面為3 500 mm×3 250 mm×100 mm厚的Q460鋼板，鋼板背面有突出的鋼制固定件以保證與混凝土緊固在一起，靶總質量約為 130 t。自動釋放裝置為電氣控裝置驅動系統，最大負載 5 t，能夠瞬時自由釋放貨包。測量系統包括動態應變測量系統和形變測量系統。應變測量系統的主要儀器設備有DH5939型高速數據采集儀、DH3842型電壓放大器和各種應變片，連續采樣速度最大100 kHz，瞬態采樣速度最大3 MHz。常用應變計量程范圍0～20 000 με(ε為應變)，應變片電阻120 Ω。

4.2 試驗結果

沖擊試驗中容器下落姿態為頂角下落，與有限元仿真計算的姿態相同，沖擊點為仿真計算中損傷最嚴重的2個螺栓中的一個。測量得到外容器各測量點(圖 7)的應力見表1，離開撞擊點的①、②、③和④測量點的測量值小于1Cr18Ni9Ti不銹鋼屈服應力σ0.2=205 MPa，⑤測量點的測量值大于屈服應力，但小于抗拉強度σb=520 MPa。

試驗前、后的容器撞擊部位如圖8所示。試驗后外容器沖擊點位置局部損壞，沖擊點外表面有開裂裂紋現象，沖擊位置向內凹陷約 50 mm，面積約 200 mm×200 mm；頂蓋內側凹陷約 25 mm并向外鼓起。位于沖擊部位的1條螺栓斷裂，另有1條損傷較嚴重。內容器上固定鉛塞的4個螺栓松動，但沒失效；鉛塞完好，進出自如；鉛塞的定位銷向外側傾斜，最大幅度1 mm；源容器外觀無其他任何損傷和明顯變形。

圖7 頂角下落角度示意圖Fig.7 Top corner drop orientation

表1 測量和計算應力最大值(MPa)Tab.1 Maximum measurement and calculation results

圖8 試驗前、后的容器沖擊部位Fig.8 Impact position of the container before and after test

5 試驗與計算結果的對比

雖然數值模擬計算時進行了適當簡化，模擬計算與試驗中的沖擊點位置也不完全重合，但通過對比分析試驗與計算結果，可以得出：①理論計算的外容器沖擊部位最大形變量為 45.9 mm，試驗后實際測量的最大形變量約為 50 mm，兩者基本吻合；②理論計算有2條螺栓可能斷裂，與試驗后外容器1條螺栓斷裂、1條損傷嚴重的情況基本相符；③仿真計算外容器應力與測量值及應力變化趨勢吻合；④理論計算和試驗測量結果都表明，外容器在沖擊試驗中保護了內容器，試驗后內容器結構完整，沒有明顯的變形，能保持足夠的屏蔽和包容性能，滿足GB 11806和SSR-6的要求。

6 結論

應用ANSYS/LS-DYNA采用有限元方法計算放射源運輸容器在運輸事故條件下的沖擊受力，可以給出較為準確的形變值，能夠預測大的應力集中區和應力分布。但計算的準確度取決于建立的計算模型的精度、網格質量和計算參數等。牛杰等的研究結果也指出 Mises 強度理論計算的誤差為-27%[10]。

沖擊試驗結果和LS-DYNA計算結果較好地吻合，也表明了在建立可靠的計算模型條件下，模擬結果能夠很好地應用于破壞性試驗，指導試驗工作。