一种贮存箱的抗震抗冲击性能评估

董 文，余 梅，雷延茹，陈 军，周百昌

(中国人民解放军火箭军研究院， 北京 100084)

易损贮存件在贮存和运输过程中需要面对多种多样的极端载荷。所以贮存箱的设计及其基础的连接方式需要进行考核验证。贮存状态下贮存箱主要承受地震载荷的考验。徐艳杰等[1]使用有限元模拟的方式对宝珠寺重力坝在地震中的动力响应及整体安全性进行了研究。朱碧蕾等[2]对高压输电塔结构在地震载荷下的反应进行了有限元分析，获得了结构的地震反应特征。李双江等[3]使用多尺度混合有限元模型对地震载荷下钢框架进行了时程分析。文中将复杂结构在地震作用下的状态分为线性部分和非线性部分，分别用宏观有限元和微观有限元模型模拟相应状态的动力学行为。贮存箱在运输过程中，可能会受到紧急制动、急转弯和追尾制动这三种极端载荷，必须关注贮存箱与运输车的连接钢索会不会屈服破坏，关注贮存箱底面与车架之间是否会产生相对滑动。易损件运输问题类似车辆碰撞下驾驶员人体的损伤评估问题。周炜等[4]研究了轿车追尾事故中前车乘员的颈部损伤即“挥鞭”效应。文孝霞[5]模拟了跨坐式单轨车辆车体与刚性墙的正面碰撞，得出了碰撞过程中车体的变形位移时间历程曲线。朱平等[6]使用LS-DYNA软件对轿车追尾耐撞性进行了研究，并根据研究结果对轿车尾部结构进行了改进。田万仓等[7]则对一款满载轻型越野车进行了紧急制动试验，讨论了紧急制动时各参数之间的关系。Mats Y.Svensson[8]和Judson B.Welcher[9]讨论了追尾过程中座椅性质对乘员头颈运动的影响。

本文对原始模型简化后进行有限元建模。对贮存状态下贮存箱承受地震载荷和运输状态下贮存箱承受紧急制动、急转弯和追尾制动三种载荷的运动、应力情况进行了分析,考查了不同载荷下结构件及钢索的屈服失效情况和底面滑移情况，比较了预紧钢索不同张角下的计算结果，对预紧钢索的布置策略具有一定启发性。

1 贮存箱模型及有限元离散

1.1 贮存箱建模

贮存箱为一长2 000 mm，半径400 mm的圆筒。易损件为一空心锥体，通过两个相距666 mm的半圆板支撑在贮存箱内，如图1。贮存箱通过两个相距1 030 mm的圆筒支撑在主框架上。主框架由6号槽钢焊接而成，上表面焊接了5 mm厚的钢板以增加整体刚度，如图2。圆筒支撑宽1 020 mm，上端为半圆，厚度为100 mm。贮存箱整体示意图如图3。

1.2 有限元离散

使用四面体和六面体单元对贮存箱进行网格划分。四面体单元用于不规则几何体，如圆筒支撑、贮存件支撑的划分，六面体单元用于圆筒、主框架钢板等的划分。装配体各零件的材料参数如表1。

表1 材料参数

贮存箱需要受贮存和运输两种状态下极端载荷的考验。贮存与运输状态不同之处在于连接方式与载荷形式。在贮存状态下，贮存箱主框架底面通过6个钢丝绳减震器与地面相连接，圆筒支撑侧面通过8根4组钢丝绳与地脚螺钉相连接。钢丝绳减震器通过COMBIN14单元进行建模，刚度为5E5(N/m)，阻尼参数为33.93(Ns/m)。地面采用C30混凝土建模。地面为六面体，除支撑面外5个面均进行固定。地震加速度载荷等效施加于除地面以外其他零件上。贮存状态下的网格划分如图4。

在运输状态下，主框架底面与车厢表面摩擦接触，主框架侧面有4个拉环，分别由4根钢丝绳与车厢上4个拉环连接，同时另有8根4组钢丝绳对圆筒支撑，总共24根钢丝绳。预紧钢索均采用5 mm半径正圆截面杆单元模拟。车厢采用刚体建模，使用TARGET170和CONTACT174单元构建主框架底面和车厢表面接触性能，设置接触材料为普通碳钢，摩擦因数为0.15(由预实验确定)。紧急制动、急转弯和追尾制动加速度载荷等效施加于除车厢刚体外其他零件上。运输状态下的网格划分如图5。

2 数值模拟

2.1 模态分析

对贮存箱贮存状态和运输状态进行模态分析，模态阶次取为10。贮存态和运输态的固有频率如表2。

表2 贮存箱前10阶固有频率

假设结构阻尼为瑞利阻尼，并取前两阶阻尼比为0.05，拟合得到的瑞利阻尼参数分别为：贮存态α=0.221 7，β=0.004 877；运输态α=16.107 8，β=0.000 151 6。

2.2 抗震性能评估

地震载荷随机振动峰值加速度为0.3g，频率小于2 Hz，分为水平和垂直方向，其中垂直方向加速度峰值为水平方向的0.65倍。给定分析时间为90 s。生成的三轴随机加速度如图7。

有限元分析时间为100 s，分为两个载荷步。第一载荷步为10 s，此载荷步用于施加重力和钢索预紧力，使减震器稳定，能有效提高后续分析的收敛性。本文使用温降法施加钢索预紧力。绳索预紧力平均值在9 000 N左右。第二个载荷步，分析时间为90 s，载荷步长0.25 s，此阶段施加随机加速度。

在绳索张角为17.06°的情况下进行计算。得到装配体各部分位移、应力随时间的变化曲线。利用各部分最大von Mises等效应力判断是否发生屈服破坏。圆筒及绳索最大等效应力和轴向应力随时间变化曲线如图8和图9。

可以看出，圆筒和绳索最大等效应力的变化基本体现了结构受地震随机载荷激励的特性。可以看出，圆筒最大等效应力不超过4.2 MPa，绳索最大轴向应力不超过450 MPa，均未达到材料屈服应力。其他部件也远未达到屈服应力。可以认为贮存箱在此种固定条件下，能够经受给定强度的地震载荷考验。

2.3 抗冲击性能评估

运输时，贮存箱通过24根预紧钢索与车厢表面拉环相连。采用温降法施加2 000 N左右预紧力。将运输车考虑为刚体并固定，将三种极端载荷的加速度等效施加于贮存箱上，这样可以避免运输车体的建模，节省大量计算。

1) 紧急制动载荷

田万仓[7]进行了BJ212轻型越野车满载紧急制动试验，研究了紧急制动减速度与各参数之间关系。根据试验结果，汽车45 km/h紧急制动的减速度曲线大体分为两部分：1)减速度值线性增长，称为瞬变过程。其实质为轮胎与路面接触的过程中，变形量不断变化；2)减速度值基本保持不变，并低于第一阶段峰值，称为平稳过程。此过程中轮胎抱死，变形量基本保持不变。根据文献[7]构造的减速度曲线如图10。

图11为紧急制动过程中主框架底面Y方向最大位移，即与运输车厢上表面最大距离的变化。可以看到，位移值一直保持在一个小量，即主框架底面与车厢表面没有发生分离。紧急制动过程中绳索最大轴向应力为70 MPa，即绳索没有发生屈服破坏。其他部分也均没有发生屈服破坏。

2) 急转弯载荷

急转弯初始车速45 km/h，弯道最小曲率半径20 m。进行保守估计，在贮存箱侧向即X方向施加一时长2 s的阶跃加速度载荷，大小为7.812 5 m/s2。计算结果表明，急转弯载荷下，贮存箱没有发生滑移，各部分受力较小，没有发生破坏。

3) 追尾制动载荷

根据文献[4]，汽车在50 km/h追尾时(假设被追尾车辆静止)，汽车行驶方向加速度近似为三角波形，峰值可达36g。追尾时，侧向及垂向也有加速度，此处主要考虑追尾方向加速度。构建追尾加速度曲线如图12所示。追尾持续时长0.034 72 s。

在追尾过程中，Z方向即追尾方向出现了2.8 mm位移，Y方向即垂向出现了4.5 mm位移，说明贮存箱实际上翘起并向前滑动了。图13是第24载荷步，即发生最大位移的时刻的位移云图。贮存箱追尾方向的翘起很明显。

如图14(a)是绳索最大轴向应力接近2 500 MPa，实际上，在这个时刻之前，已经有绳索发生屈服失效。在第4个载荷步绳索的轴向最小应力减为0，即追尾碰撞发生后很短的时间内就有绳索松弛失效。图14(b)是第4载荷步的绳索轴向应力示意图，可以看出，追尾方向的12根绳索已经松弛，追尾反方向上与主框架侧面相连的4根绳索承受着最大轴向应力。

3 计算结果

预紧钢索末端与地脚螺钉/车厢拉环连接点的距离分别取为200 mm和600 mm，对这两种情况下贮存箱在地震载荷和冲击载荷下的受力情况进行对比，分别列于表3和表4。

可以看出，这两种固定尺寸对于地震载荷下的各部分受力影响不是很大。在这两种条件下，结构各个部分均经受住了地震载荷的考验，没有发生屈服失效。地震载荷本身峰值仅0.3g，所以对于贮存状态来讲，最主要的是要保证固定绳索有足够大的预紧力，避免在承受载荷的过程中发生若干绳索松弛失效的情况。

在冲击载荷中，紧急制动和急转弯载荷下，结构受力均较小。实际上，在紧急制动过程中，不论初始速度多大，受到的加速度峰值始终为1g。这是因为紧急制动的加速度是由轮胎与地面之间的摩擦力产生的。在给定半径20 m，初速度45 km/h的条件下，侧向的加速度也不到1g，所以急转弯载荷也较小。

然而50 km/h追尾制动属于比较极端的载荷条件。整个追尾过程在很短的时间内完成，导致峰值加速度很大(本例达36g)。在这种条件下，每组预紧钢索之间拉设角度的变化影响较大。从表4可以看到，钢索之间角度较大时，预紧钢索轴向应力峰值降低了250 MPa，说明改变钢索拉设角度可以改善受力情况。但是钢索峰值轴向应力仍然超过了钢丝绳的断破应力。所以，为了能够承受追尾制动载荷，在不改变钢索拉设形式的条件下，应尽量增大拉设夹角；并且重点加粗主框架上的连接钢索，因为在追尾过程中，主框架每个连接点在追尾反方向上的钢索会承受最大轴向应力。

最大等效应力/MPa圆筒圆筒支撑易损件易损件支撑预紧钢索主框架200 mm4.244.01.713.055.0450600 mm4.652.51.7614.560.0425

表4 运输状态下各部分最大等效应力

4 结论

对一种贮存箱及其内部贮存易损件进行了有限元建模与分析，贮存箱在贮存状态和运输状态分别要经受0.3g峰值加速度地震载荷和45 km/h紧急制动、45 km/h急转以及50 km/h追尾制动载荷。经过计算发现，贮存箱可以承受地震、紧急制动及急转弯载荷，预紧钢索没有发生松弛失效，各部分均未发生屈服失效；在追尾过程中，有一半预紧钢索在碰撞发生后短时间内发生松弛，导致剩余钢索最大轴向应力超过钢丝绳极限应力，固定结构发生破坏。经研究发现，通过增大预紧钢索拉设角度可以较有效降低峰值轴向应力大小。针对追尾制动，建议将圆筒支撑上每组预紧钢索的铺设角度增大，并且改用更粗的钢丝绳连接主框架。

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