Использование модели пластичности Джонсона-Кука в численном моделировании бросковых испытаний контейнеров для транспортирования ОЯТ

02.10.2016 2016 - №03 Топливный цикл и радиоактивные отходы

А.В. Соболев М.В. Радченко

https://doi.org/10.26583/npe.2016.3.09

Изложены результаты численного моделирования деформаций и повреждений при падении транспортного упаковочного комплекта для перевозки ОЯТ ТУК-128 на штырь. Такая ситуация относится к проектным авариям при перевозке ОЯТ наземным транспортом за пределами опасного производства (вне площадки АЭС или перерабатывающего завода).

Расчет и моделирование деформаций при падении контейнера выполнен в упругопластической области работы конструкционных материалов. Результаты моделирования в значительной мере зависят от выбора способа задания пластических свойств материалов.

Наиболее распространенный подход учета пластичности состоит в задании табулированной функции, устанавливающей связь напряжений и пластических деформаций. Такое представление пластичности не учитывает ни температурной зависимости свойств пластичности, ни кинематического упрочнения материала (зависимости предела упругости от интенсивности деформаций). Однако использование этой модели дает существенное снижение вычислительной сложности, что важно при необходимости проведения оценочного анализа для десятков расчетных вариантов.

Более адекватным подходом к заданию пластичности является учет изменения предела упругости не только в зависимости от величины деформаций и ее интенсивности, но и от температуры (модель пластичности Джонсона-Кука). В этом случае для каждого типа конструкционного материала необходимо определить пять-семь параметров. В настоящее время нет однозначного способа для определения этих параметров, поэтому в статье предлагается метод для их нахождения. Такой подход приводит к существенному увеличению вычислительной сложности, поэтому в рамках представленной работы дается сравнительный анализ результатов расчетов с заданием пластичности моделью Джонсона-Кука и табулированной функцией.

Моделирование выполнено для двух случаев: падение на крышку корпуса, изготовленную из нержавеющей стали, и падение на днище корпуса, изготовленного из высокопрочного чугуна. Рассматриваемые варианты задания пластических свойств конструкционных материалов сравниваются с результатами бросковых испытаний контейнера ТУК-128. Для моделирования удара использовались метод конечных элементов и программный комплекс LS-DYNA.

Ссылки

1. Droste B. Testing of type B packages in Germany to environments beyond regulatory test standards // Packaging, Transport, Storage & Security of Radioactive Material. – 2007.– Vol. 18. – № 2. – PP. 73–85.
2. Musolff A., Quercetti T., Mьller K., Droste B., Komann S. Drop test program with the half-scale model CASTOR HAW/TB2 / – PATRAM 2010.
3. Боровков А.И., Грунин В.В., Лутман Ю.Л. Исследование вертикального падения контейнера с отработавшим ядерным топливом // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2013. – № 1. – С. 210-214.
4. Нормы МАГАТЭ по безопасности. Правила безопасной перевозки радиоактивных материалов. Требования безопасности. № TS-R-1, 2005. – М.: Энергоатомиздат. – 2009.
5. Jaksic N., Nilsson K.F. Finite element modelling of the one meter drop test on a steel bar for the CASTOR cask // Nuclear Engineering and Design. – 2009. – Vol. 239. – No. 2. – PP. 201-213.
6. Невский С.А., Сарычев В.Д., Комиссарова И.А., Громов В.Е. Многофазная модель пластической деформации металлов // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013.– Т. 18. – Вып. 4. – С. 1848-1849.
7. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. – М.: Металлургия. – 1970. – 229 с.
8. Мастеров В.А., Берковский В.С. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. – М.: Металлургия. – 1989. – 400 с.
9. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. – М.: Металлургия. – 1989. – 176 с.
10. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. – М.: Металлургия. – 1986. – 224 с.
11. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. – М.: Металлургия. – 1984. – 144 с.
12. Унксов Е.П. Теория пластических деформаций металлов. – М.: Машиностроение. – 1983. – 598 с.
13. Иванов К.М., Лясников А.В., Новиков Л.А., Юргенсон Э.Е. Математическое моделирование процессов обработки давлением. – СПб.: Инвентекс. – 1997. – 268 с.
14. Боткин А.В. Научно-методические основы проектирования процессов углового прессования. Дисс. д.т.н. – Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2013. – 282 с.
15. Qiao L., Zencker U., Musolff A., Komann S. Dynamic Finite Element Analyses of a Spent Fuel Transport and Storage Cask with Impact Limiters by 9 Meter Drop Tests. – SIMULIA Customer Conference, 2011.
16. Schwer L. Optional Strain-Rate Forms for the Johnson-Cook Constitutive Model and the Role of the Parameter Epsilon0. / VI-th European LS-DYNA Users’ Conference. – 2007.
17. Trana E., Zecheru T., Bugaru M., Chereches T. Johnson-Cook Constitutive Model for OL 37 Steel. / VI-th WSEAS International Conference on System Science and Simulation in Engineering. –Venice, Italy, Nov 21-23, 2007. – PP. 269-273.
18. Кузькин В.А., Михалюк Д.С. Применение численного моделирования для идентификации параметров модели Джонсона-Кука при высокоскоростном деформировании алюминия // Вычислительная механика сплошных сред. – 2010. – Т. 3, – № 1. – С. 32-43.
19. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР – М.: Энергоатомиздат, 1989. 525 c.
20. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / Справочник. – М.: Машиностроение. – 1983. –352 с.

контейнер ОЯТ падение на штырь модель пластичности Джонсона-Кука определение параметров модели пластичности Джонсона-Кука

Ссылка для цитирования статьи: Соболев А.В., Радченко М.В. Использование модели пластичности Джонсона-Кука в численном моделировании бросковых испытаний контейнеров для транспортирования ОЯТ. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2016. – № 3. – С. 82-93. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2016.3.09 .