基于ANSYS／LS-DYNA的抗飞机撞击结构非线性动力分析

李忠诚，黄 涛

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳518029）

基于ANSYS／LS-DYNA的抗飞机撞击结构非线性动力分析

李忠诚，黄 涛

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳518029）

APC壳是核电站抵御飞机撞击的主要屏障，本文运用非线性有限元程序LS-DYNA对某核电站燃料厂房APC壳进行了分离式建模，并对大型商用飞机的撞击进行了数值计算，对APC壳的动力响应及弹塑性特性进行了研究分析，提出了大型商用飞机撞击局部效应的观点，为APC壳的设计计算提供参考。

大型商用飞机；撞击APC壳；数值仿真；动力分析

核电作为重要的清洁能源已在全世界范围内得到了广泛应用，由于核电厂事故的后果往往是灾难性的因而其安全性一直受到各国的高度重视。自“9·11”事件以来，核电站遭受大型商用飞机撞击的问题成为公众和研究者关注的焦点，抗飞机撞击结构（APC壳）作为核电站抵抗飞机撞击的主要屏障，是核电厂主要防护结构之一，由钢筋混凝土制成。美国联邦法规［1］明确要求新建核电站设计时需要考虑大型商用飞机的撞击。

国内外对钢筋混凝土结构的动力分析研究以及混凝土材料在强冲击荷载下的动力特性研究进行了大量的工作。Tetsuo Shirai等［2］对双层钢筋混凝土板在冲击荷载作用下的试验和数值计算进行了研究，得到双层钢筋混凝土板比单层板的抗冲击性能要好，另外采用高强度混凝土可以提高抗冲击性能。Buchhardt［3］对飞机撞击下材料的非线性和阻尼之间的相互作用进行了分析研究。汪泰钧［4］对飞机撞击下的结构整体响应进行了分析，并简述了一些实用的计算方法和相应的构造措施，总结了飞机撞击效应的实用计算公式。金华等［5］采用有限元法对核电厂安全壳在飞机撞击下的轴对称弹塑性动力分析进行了研究，给出了结构在飞机荷载作用下结构塑性区扩展情况及弹性和弹塑性响应曲线。Akram Abu-Odeh［6］开展了钢筋混凝土的动力冲击实验分析，并运用LS-DYNA材料库中不同的本构模型进行了数值模拟。

本文分析采用通用有限元软件LS-DYNA建立有限元实体模型，钢筋混凝土采用分离式建模，着重对APC壳墙体在大型商用飞机作用下整体的弹塑性响应进行了计算分析，并对局部效应进行了描述。

1 APC壳结构概述

APC壳结构是核电站抵抗飞机撞击的主要屏障，主要用于保护核级设备、系统或构筑物，保证核电站在飞机撞击下能够安全停堆和放射性泄露不超过允许标准。APC壳结构具有跨度大、墙体无水平和纵向支撑、厚度大等特点，并且APC壳结构独立于厂房结构，对厂房结构形成包围起到屏蔽防护作用。APC壳结构主要通过大跨度结构的变形和材料的局部破坏来吸收飞机撞击能量，在保证结构不产生整体破坏的情况下APC壳结构和厂房之间设置有足够的间隙，同时通过采用等级高的混凝土和钢筋以提高结构的抗飞机撞击能力。

燃料厂房内设有乏燃料水池、储存着大量乏燃料，因此，燃料厂房结构的设计应考虑大型商用飞机的撞击，可以通过设置APC壳墙体抵抗飞机的撞击。以某核电站为例，燃料厂房的APC壳墙体布置图如图1所示。

图1 燃料厂房APC壳结构布置图Fig．1 Layout of APC shell-Fuel Building

2 有限元计算模型

本报告选取燃料厂房APC壳结构作为计算分析的模型，APC结构的3D有限元模型如图2～图4所示，混凝土采用实体单元Solid164模拟，钢筋采用梁单元Beam161模拟，钢筋分两层布置在外墙内外两侧。有限元模型共有353 997个节点和247 848个单元，其中实体单元为178 788，梁单元为69 060。

图2 3D有限元模型45度轴侧视图Fig．2 45 Degree Axis Side Elevation of 3D FE-model

图3 3D有限元模型135度轴侧视图Fig．3 135 Degree Axis Side Elevation of 3D FE-model

图4 外墙钢筋有限元模型侧视图Fig．4 FE-Model of Outer Wall Reinforcement Side Elevation

计算模型的约束和飞机荷载的作用示意图如图5和图6所示。大型商用飞机的荷载通过考虑飞机的质量分布、刚度分布和撞击速度，运用RIERA方法［7］获取，其荷载分为两部分，一部分是准圆柱形结构的机身，其刚度和质量分布几乎保持不变，产生的荷载为65 MN，持续时间约为280 ms，作用区域为机身的圆形区域；一部分是机翼和发动机，撞击时产生一个突加荷载，峰值荷载达到185 MN，持续时间为40 ms，作用区域为两侧发动机之间等效矩形区域。

图5 有限元模型边界条件Fig．5 Support Conditions FE-Model

图6 大型商用飞机撞击位置Fig．6 Impact Location of Large Commercial Aircraft

3 材料模型

混凝土材料选用C50，钢筋材料选用HRB500。由于飞机撞击属于高速冲击，材料在高应变率下会发生应力强化，需考虑材料强度的动力增大系数。另外材料分项系数为γc＝γs＝1．0，则混凝土压缩强度：

假定混凝土材料是各向同性和均匀的材料，一般考虑两种情况的失效，压碎和拉裂。为计算整体的动力响应，选取混凝土材料模型为双线性模型。屈服极限等于压缩强度，在屈服点的压缩应变为1 350 u，当压力达到极限拉伸强度时拉伸应力快速的降为0。混凝土材料在拉伸和压缩作用下的单轴应力应变曲线如图7所示。

钢筋在单轴拉压作用下表现出一种理想弹塑性性能，假定钢筋和混凝土之间保持良好的粘接和锚固，不考虑两者之间的滑移。可以选取钢筋单元与混凝土单元约束的方式来模拟钢筋混凝土。钢筋材料在拉伸和压缩作用下的单

图7 混凝土材料在拉伸和压缩作用下的单轴应力应变曲线Fig．7 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Concrete in Tension and Compression

轴应力应变曲线如图8所示。

图8 钢筋材料在拉伸和压缩作用下的单轴应力应变曲线Fig．8 Uniaxial Stress-Strain-Diagram for Reinforcement in Tension and Compression

4 计算结果分析

大型商用飞机撞击核电站具有作用时间短、冲击荷载大等特点，本文以大型商用飞机以撞击力-时间函数来模拟飞机的撞击，力-时间函数充分考虑了不同时间段飞机不同部位与墙体的接触。在撞击的初始阶段，惯性效应明显，需要考虑应力波的传播效应，同时由于墙体的跨度远大于墙体的厚度（飞机撞击方向），应力波在撞击方向的传播所需要的时间比起荷载作用的时间要短得多，因此，应力波传播的现象很快就会消失，结构的弹塑性动力响应主要表现为结构的（弯曲）变形随时间的变化。

4.1 计算节点选择

选择撞击区域及附近的节点来分析墙体局部在飞机荷载作用下的动力响应，节点位置如图9所示。选择撞击区域、远离撞击区域及其他墙体或楼板的节点来分析厂房整体在飞机荷载作用下的动力响应。节点位置如图10所示。

图9 外墙位移曲线输出节点位置示意图Fig．9 Selected Node Numbers for Output Data

4.2 结构的位移响应

在飞机荷载作用下结构的最大位移为56．54 cm，位移云图如图11所示。选择计算节点的位移曲线如图12和图13所示。位移曲线表明随着荷载的增加位移值不断增大，由于冲击过程中的惯性效应，位移曲线比荷载曲线稍稍滞后，即在最大荷载出现后位移才达到最大值，卸载后，结构弹性变形部分位移得到恢复，塑性变形部分值比较大。另外撞击中心和撞击区域附近的节点位移随着荷载的增加，差距越大。

图11 结构343．97 ms时最大水平位移为56．54 cmFig．11 Maximum displacement at 343．79 ms with v＝56．45 cm

图12 外墙竖向节点位移时程曲线Fig．12 Time History of Displacements of Vertical Node

图13 外墙水平向节点位移时程曲线Fig．13 Time History of Displacements of Horizontal Node

厂房结构位移值较大的区域在撞击区域，离撞击区域越远，结构的位移响应越小。选取结构不同部位的节点，包括撞击区域内节点、撞击区域附近节点、撞击区域外节点及远离撞击区域的节点（其他墙体上的节点）的位移-时间曲线如图14和图15所示，可知撞击区域内的位移峰值远大于远离撞击区域的位移峰值，且变化梯度较大，而远离撞击区域的变化梯度较小。

图14 墙体不同部位节点的动力响应（Y向位移曲线图）Fig．14 the Dynamical Response of Node in Different Locations of Walls

图15 墙体不同部位节点的动力响应（Y向位移曲线图）Fig．15 the Dynamical Response of Node in Different Locations of Walls

4.3 结构的强度

结构撞击区域材料已屈服，混凝土材料出现崩落、裂纹等局部现象。外墙外层钢筋的应力云图如图17所示，钢筋局部屈服，发生塑性变形，外层钢筋的应变云图如图18所示，钢筋的最大轴向应变值为26．82‰，小于钢筋的极限应变50%。混凝土在0．192 s时的应力云图如图19所示，撞击区域出现屈服，同时在墙体靠近撞击区域的洞口角隅处材料屈服。随着荷载的增加，结构应力不断增大，但是对于非撞击墙体结构一直处于低应力水平。另外墙体洞口角隅处产生应力集中现象，因此在进行结构设计时需要在洞口外围设置防护罩，减少撞击引起的洞口处局部应力增大，防止洞口角隅处开裂。

图17 外墙外层钢筋轴向应力云图Fig．17 Axis Stress Nephogram of Outer Wall Reinforcement

图18 外墙外层钢筋轴向应变云图Fig．18 Axis Strain Nephogram of Outer Wall Reinforcement

图19 0．192 s结构的应力云图Fig．19 Structure Stress Nephogram on 0．192 s

4.4 结果比较

将计算结果中的主要指标墙体最大水平位移值和钢筋最大应变值与某在建核电项目计算结果进行比较，如表1和表2所列。

表1 墙体最大水平位移值及对应时刻列表Table 1 the Largest Horizontal Displacement Value of Walls and Responding Time List

表2 钢筋最大轴向应变值列表Table 2 the Largest Axis Strain Value List of Reinforcement

根据上表的对比可知数值计算结果与项目结果基本吻合。同时结果也存在一定的差异，数值计算结果与项目结果相比位移峰值超出3．56%，出现的时刻稍稍滞后。主要由于在数值模拟过程中混凝土材料模型选择的差异以及阻尼的影响，另外项目计算中钢筋采用面单元进行模拟，本课题采用梁单元进行模拟，钢筋的分布和位置有一定的差别。

5 结论

1．采用大型商用飞机力-时间函数撞击APC壳墙体进行数值计算分析，计算结果表明，燃料厂房APC墙体能够抵抗大型商用飞机的撞击。

2．经过对结构的弹塑性分析表明，大型商用飞机撞击局部影响明显，对远离撞击区域的结构无影响或影响较小。

3．根据计算分析，对于受撞击墙体洞口区域，易产生应力集中，需对局部区域进行进一步的防护，如采用防护罩等措施。

4．本课题在进行大型商用飞机撞击核电站研究过程中，飞机撞击APC壳的计算采用的是一个近似力函数，并未考虑飞机实体对APC壳的影响，也未考虑飞机实体与APC壳的接触对计算精度的影响性。更真实的数值仿真还需重新对飞机结构简化模型或实体模型对APC壳的撞击进行进一步的研究。

［1］ 美国联邦法规．10 CFR 50 Section 50．150 Aircraft Impact Assessment，2009．

［2］ Tetsuo Shirai，Atsushi Kambayashi，Tomonori Ohno．Experiment and numerical simulation of double-layered RC plates under impact loadings．Nuclear Engineering and Design 1997，176：195-205．

［3］ Buchhardt F．et al，Interactions Between Material Nonlinearity and Damaping for Aircraft Impact Loading．in 5th SMiRT Conference，Berlin，1979，9／1．

［4］ 汪泰钧．核电站选址及设计过程中对飞机坠毁事件的考虑［J］．核动力工程，1992，13（2）．

［5］ 金华，翁智远，王远功．核电厂安全壳顶盖在飞机撞击下的轴对称弹塑性动力分析［J］．震动与冲击，1993，2．

［6］ Akram Abu-Odeh，Modeling and Simulation of Bogie Impacts on Concrete Bridge Rails Using LS-DYNA．10thInternational LS-DYNA Users Conference．

［7］ Jorge D Riera． On the Stress Analysis of Structures Subjected to Aircraft Impact Forces．Nuclear Engineering and Design 8（1968）415-426．

Nonlinear Dynamic Analysis of Air Plane Crash shell based on ANSYS／LS-DYNA

LI Zhong-cheng，HUANG Tao
（China Nuclear Power Engineering Company Ltd．，Shenzhen Guangdong，518057，China）

APC shell is a important barrier of protection agaist Airplane Crash． This paper describes global nonlinear analysis on the 3D-solid APC model embedded with reinforced based on LS-DYNA program．The numerical implementation of large commercial airplane crash is conducted．Dynamic responses and elastoplastic character of APC shell structure are studied．Local effect view with large commercial airplane crash is put forward．The calculation result can provide reference for design of APC shell．

large commercial airplane；impact；air plane crash shell；numerical implementation；dynamic analysis

TM623

A

0258-0918（2016）02-0147-07

2015-6-28

黄 涛（1983—），男，工程师，硕士，从事核岛厂房土建计算分析工作