CN109903873A - 一种运输容器缓冲器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种运输容器缓冲器及其制备方法，所述缓冲器包括：缓冲器本体(1)，其采用泡沫铝材料，所述缓冲器本体(1)为2个一端封闭的中空圆柱体，分别套设于运输容器(2)两端；固定组件(3)，用于将所述缓冲器本体(1)固定于运输容器(2)上。泡沫铝具有独特的力学性能和吸能性且其各个方向性能基本相同，适用于放射性物质运输容器的缓冲器。选择泡沫铝作为缓冲器的制备材料解决了现有技术中采用严格满足密度要求的木材资源作为缓冲器，但木材资源极其有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种运输容器缓冲器及其制备方法。
背景技术
放射性物质运输容器特别是一类放射性物质运输容器在验证运输事故条件能力下的包容性是其关键的性能要求，而缓冲器的功能是为了吸收事故下碰撞能量的关键部件，其材料的选择至关重要，要求该材料吸能性好，密度低并且具有一定的强度。另外，选材后需获得材料有效的本构关系，才能将自由下落模拟计算得更准确，与安全验证试验互为校验。
国际上大型放射性物质运输容器采用的材料大多为木材，美国的NAC-STC乏燃料运输容器采用红木和软木作为缓冲材料，我国的RY-1型运输容器采用软木作为缓冲材料。木材作为缓冲器要求在一定的抗压强度下，密度尽量低。木材属于非均质天然生物质材料，自身固有的变异使得严格满足密度要求的木材资源极其有限。吕文华等的研究表明，仅密度为0.4g/cm3左右的杉木能满足大型运输容器减震材料的要求，但木材资源极其有限。
因此，寻找适用于放射性物质运输容器的缓冲器的制备材料，以及如何以该选择的材料制备出适用的缓冲器是本领域研发人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种运输容器缓冲器，所述缓冲器包括：缓冲器本体，其采用泡沫铝材料，所述缓冲器本体为2个一端封闭的中空圆柱体，分别套设于运输容器两端；固定组件，用于将所述缓冲器本体固定于运输容器上。
可选地，所述缓冲器还包括覆盖于所述缓冲器本体外表面的金属层；所述金属层的厚度为5～8mm。
本发明的另一个方面提供了一种缓冲器的制备方法，所述方法包括：步骤S1：为泡沫铝的密度设置预设值，所述泡沫铝用于制备缓冲器本体，根据所述预设值以及运输容器的重量，获取固定在运输容器上的缓冲器本体在预设高度自由下落所需要的形变体积；步骤S2：根据所述在预设高度自由下落所需要的形变体积与其在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积之间的预设规则，计算所述缓冲器本体的结构特征参数。
可选地，所述步骤S1包括：根据运输容器的重量，计算运输容器在预设高度自由下落所吸收的能量，为泡沫铝的密度设置预设值，根据所述吸收的能量以及所述预设值，确定所述缓冲器本体在预设高度自由下落所需要的形变体积。
可选地，所述步骤S2包括：获取固定在运输容器上的缓冲器本体在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积与所述结构特征参数之间的关系；根据所述关系以及所述预设规则，计算所述缓冲器本体的结构特征参数；
所述关系用下列矩阵表示：
其中，V1为固定在运输容器上的缓冲器本体在竖直自由下落时所需要的形变体积，V2为固定在运输容器上的缓冲器本体在水平自由下落时所需要的形变体积，V3为固定在运输容器上的缓冲器本体以预设角度自由下落时所需要的形变体积，X为作用因子，O为不作用因子，W为缓冲器本体半径与运输容器半径的差值，H1为缓冲器本体高度与运输容器高度的差值，H2为缓冲器本体与运输容器的侧面重合的高度。
可选地，所述预设规则包括：所述固定在运输容器上的缓冲器本体在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积均大于其在预设高度自由下落所需要的形变体积。
可选地，所述固定在运输容器上的缓冲器本体在竖直自由下落时所需要的形变体积V1通过下列公式表示：
V1＝π(Ri+W)2H1 (1)
其中，Ri为运输容器半径，W为缓冲器本体半径与运输容器半径的差值，H1为缓冲器本体高度与运输容器高度的差值。
可选地，所述固定在运输容器上的缓冲器本体在水平自由下落时所需要的形变体积V2通过下列公式表示：
其中，Ri为运输容器半径，W为缓冲器本体半径与运输容器半径的差值，H1为缓冲器本体高度与运输容器高度的差值，H2为缓冲器本体与运输容器的侧面重合的高度。
可选地，所述固定在运输容器上的缓冲器本体以预设角度自由下落时所需要的形变体积V3通过下列公式表示：
其中，Ri为运输容器半径，W为缓冲器本体半径与运输容器半径的差值，H为运输容器高度，H1为缓冲器本体高度与运输容器高度的差值，a为以预设角度自由下落时缓冲器本体未形变部分至缓冲器本体对称轴的距离，x1为以预设角度自由下落时缓冲器本体的形变部分在水平方向上的1/2倍长度。
可选地，所述方法还包括：根据所述泡沫铝的密度以及缓冲器本体的体积，进行各个方向的拉伸、压缩、剪切3种准静态和动态力学性能实验，确定泡沫铝的本构关系。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器结构示意图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器在竖直自由下落的过程中吸收能量所需体积的结构示意图；
图3示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器在水平自由下落的过程中吸收能量所需体积的结构示意图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器在以预设角度自由下落的过程中吸收能量所需体积的结构示意图；
图5示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器以预设角度自由下落的过程中吸收能量所需体积的立体结构示意图；
图6示意性示出了本发明实施例提供的运输容器缓冲器所采用的泡沫铝材料的本构关系示意图；
图7示意性示出了本发明实施例提供运输容器缓冲器所采用的泡沫铝材料的本构关系验证试验和有限元获得的力位移曲线对比图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的运输容器缓冲器结构示意图，所述缓冲器包括：缓冲器本体1，其采用泡沫铝材料，所述缓冲器本体1为2个一端封闭的中空圆柱体，分别套设于运输容器2两端；固定组件3，用于将所述缓冲器本体1固定于运输容器2上。
由于放射性物质的运输容器通常为圆柱状，因此，本发明中提供的缓冲器本体为2个一端封闭的中空圆柱体，从图1中可以看出，其横截面为“凹”字形，将其套设于运输容器的端部，使缓冲器本体的底部内表面与运输容器的端部外表面贴合，同时使缓冲器本体的圆柱侧壁内表面与运输容器的侧壁外表面贴合，实现对运输容器在坠落或碰撞过程中易受到撞击等损伤的部位进行保护和能量缓冲。但本发明对缓冲器本体的具体形状不作具体限定，例如其还可以为2个一端封闭的中空正方体，也可以为2个一端封闭的中空长方体，其结构应与运输容器进行配合，只需符合帽状结构，套设于运输容器两端即可。
泡沫铝是一种以铝或铝合金为基体，包含大量孔洞的轻质多孔材料。泡沫铝在压缩过程中通常表现出4个特征阶段：1)起始的弹性变形区；2)屈服点；3)泡沫腔胞的塑性变形和应力缓慢增加而呈现出的平台区；4)随泡沫腔胞边缘进一步不断互相接触而出现的应力迅速增长段。因此，泡沫铝具有独特的力学性能和吸能性且其各个方向性能基本相同，非常适用于放射性物质运输容器的缓冲器。由此选择泡沫铝作为缓冲器的制备材料解决了现有技术中采用严格满足密度要求的木材资源作为缓冲器，但木材资源极其有限的问题。
另外，所述缓冲器还包括覆盖于缓冲器本体1外表面的金属层；所述金属层的厚度为5～8mm，所述金属层为不锈钢。目的为了在跌落时防止泡沫铝脆性破坏。所述固定组件3包括位于所述缓冲器本体1上的沟槽，和穿过所述沟槽将所述缓冲器本体1固定于所述运输容器2上的螺栓。即将螺栓埋入缓冲器上的沟槽中，并且在缓冲器螺栓孔处，植入不锈钢套管，且缓冲器尽量深地套入运输容器本体上，增加缓冲器与运输容器本体的接触面积，防止跌落时缓冲器的破损。
本发明实施例还提供了一种缓冲器的制备方法，所述方法包括：步骤S1：为泡沫铝的密度设置预设值，所述泡沫铝用于制备缓冲器本体1，根据所述预设值以及运输容器2的重量，获取固定在运输容器2上的缓冲器本体1在预设高度自由下落所需要的形变体积；步骤S2：根据所述在预设高度自由下落所需要的形变体积与其在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积之间的预设规则，计算所述缓冲器本体1的结构特征参数。
具体地，所述步骤S1包括：根据运输容器2的重量，计算运输容器2在预设高度自由下落所吸收的能量，为泡沫铝的密度设置预设值，根据所述吸收的能量以及所述预设值，确定所述缓冲器本体1在预设高度自由下落所需要的形变体积。
例如，快堆某运输容器的重量为7738.3kg，9m跌落(即自由下落)所吸收的能量为E＝mgh＝7738.3×9.8×9＝0.68MJ。选择密度为0.5～0.52g/cm3的泡沫铝，即该泡沫铝的密度预设值为0.5～0.52g/cm3，泡沫铝选自四川元泰达新材料股份有限公司，根据四川元泰达新材料股份有限公司提供的该泡沫铝的静态力学性能，根据单位体积吸收的能量与泡沫铝的密度之间的对应关系，对于密度为0.5～0.52g/cm3的泡沫铝所对应的吸收能量能力为4143～6502KJ/m3，因此0.68MJ能量所需要的形变体积可以为0.105m3。
所述步骤S2包括：获取固定在运输容器2上的缓冲器本体1在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积与所述结构特征参数之间的关系；根据所述关系以及所述预设规则，计算所述缓冲器本体1的结构特征参数。
其中，所述关系用下列矩阵表示：
其中，V1为固定在运输容器2上的缓冲器本体1在竖直自由下落时所需要的形变体积，V2为固定在运输容器2上的缓冲器本体1在水平自由下落时所需要的形变体积，V3为固定在运输容器2上的缓冲器本体1以预设角度自由下落时所需要的形变体积，X为作用因子，O为不作用因子，参见图2，W为缓冲器本体1半径与运输容器2半径的差值，H1为缓冲器本体1高度与运输容器2高度的差值，H2为缓冲器本体1与运输容器2的侧面重合的高度。
根据该矩阵可知，固定在运输容器2上的缓冲器本体1在竖直自由下落时和以预设角度自由下落时所需要的形变体积均是关于H1和W的方程，固定在运输容器2上的缓冲器本体1在水平自由下落时所需要的形变体积是关于H1、H2和W的方程。而H1、H2和W即为缓冲器本体1的结构特征参数。
具体地，参见图2，在竖直自由下落的过程中，能量被图2中缓冲器本体1的端面，即阴影部分吸收，该阴影部分即为固定在运输容器2上的缓冲器本体1在竖直自由下落时所需要的形变体积V1。
V1通过下列公式表示：
V1＝πRo 2H1＝π(Ri+W)2H1 (1)
其中，Ri为运输容器2半径，W为缓冲器本体1半径与运输容器2半径的差值，H1为缓冲器本体1高度与运输容器2高度的差值，Ro为缓冲器本体1半径。
参见图3，在水平自由下落的过程中，能量被图3中缓冲器本体1的另一端面，即阴影部分吸收，该阴影部分即为固定在运输容器2上的缓冲器本体1在水平自由下落时所需要的形变体积V2。
V2通过下列公式表示：
其中，Ri为运输容器2半径，W为缓冲器本体1半径与运输容器2半径的差值，H1为缓冲器本体1高度与运输容器2高度的差值，H2为缓冲器本体1与运输容器2的侧面(图中2E所示)重合的高度。
参见图4，在以预设角度θ自由下落时过程中，能量被图4中缓冲器本体1的角变形吸收，即阴影部分吸收，该阴影部分即为固定在运输容器2上的缓冲器本体1以预设角度自由下落时所需要的形变体积V3。
V3通过下列公式表示：
该V3的公式通过图5进行推导得出，图5所示为缓冲器本体1角变形体积，其横截面ΔPQR对应于图4中的阴影部分的三角形，三角形面积即为S(x)，对该三角形面积S(x)进行积分即可得到固定在运输容器2上的缓冲器本体1以预设角度自由下落时所需要的形变体积V3。
其中，Ri为运输容器2半径，W为缓冲器本体1半径与运输容器2半径的差值，H为运输容器2高度，H1为缓冲器本体1高度与运输容器2高度的差值，a为以预设角度自由下落时缓冲器本体1未形变部分至缓冲器本体1对称轴的距离，x1为以预设角度θ自由下落时缓冲器本体1的形变部分在水平方向上的1/2倍长度，RO为缓冲器本体1半径。
另外，所述预设规则包括：所述固定在运输容器2上的缓冲器本体1在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积均大于其在预设高度自由下落所需要的形变体积。即V1、V2、V3均大于在预设高度自由下落所需要的形变体积。由此可以将不同的缓冲器本体1的结构特征参数H1、H2和W代入V1、V2、V3的上述3个公式中，并使得V1、V2、V3均大于通过步骤S1获得的在预设高度自由下落所需要的形变体积。由此，可以得到在满足该预设规则的情况下，H1、H2和W的最小值。从而根据H1、H2和W的值可以确定缓冲器本体1的实际体积。
需要说明的是，所述方法还包括：根据所述泡沫铝的密度以及缓冲器本体1的体积，进行各个方向的拉伸、压缩、剪切3种准静态和动态力学性能实验，确定泡沫铝的本构关系。
对制作缓冲器本体1泡沫铝材料(选择密度为0.56g/mm3，厚度为40mm的板)，进行各个方向的拉伸、压缩、剪切3种准静态和动态力学性能实验，动态压缩应变率分别约为50、100和200s-1。设计落锤最大速度为16m/s(相当于200s-1应变率)。由此3种试验确定出了泡沫铝材料的本构关系。
泡沫铝材料的本构关系如图6所示。其中q为Mises等效应力；p为静水压力；pt为拉伸强度；pc为压缩强度；p0为待求材料参数，单位为MPa；α为待求材料参数，无量纲；A为表征屈服面大小的量，单位为MPa。为确定其初始屈服面，至少需要3个标准试验来确定相应的材料模型参数。根据试件的力学性能特点，采用单轴拉伸、压缩以及剪切试验获得材料初始屈服面的参数，根据压缩情况下屈服应力的变化，获得材料屈服面的硬化规律。
图6中x轴为静水压力，y轴为Mises等效应力，分别为：
其中：σ11、σ22、σ33分别为正应力分量；sij为偏应力分量；σij为应力分量；
屈服面椭圆方程为：
f＝[q2+α2(p-p0)2]1/2-αA＝0 (6)
可改写为：
对于单轴压缩、拉伸、剪切3种试验，其在该屈服面上的坐标如下。
单轴压缩：
剪切：
单轴拉伸：
其中：σc0为单轴压缩屈服强度；τc0为剪切屈服强度；σt0为单轴拉伸屈服强度。
将上述3组坐标代入式(7)，即可求得椭圆方程，即：
椭圆与x轴交点坐标为：pc＝p0+A，pt＝p0-A。
根据所测泡沫铝的试验数据，获得单轴拉伸屈服强度，单轴压缩屈服强度和剪切屈服强度分别为：σt0＝4.2MPa，σc0＝9.3MPa，τc0＝4.0MPa。根据式(11)～(13)，获得σc0/pc、pt/pc分别为0.83、0.186。因此，ABAQUS中Crush foam塑性模型中的参数k＝0.83、kt＝0.186(这两个参数的取值范围为：0＜k＜3，kt＞0)。硬化曲线通过压缩图获得屈服强度和等效塑性应变的关系，即可作为ABAQUS中关于泡沫铝模型的输入参数，进行自由下落分析数值模拟计算。
然后对本构关系用弯曲试验进行验证，根据有限元分析与试验结果的应力状态分析对比，试验和模拟计算获得的极限载荷相等，验证材料本构关系的准确性。模型参数的有效性通过四点弯曲的试验对比来验证。图7示出试验和有限元获得的力位移曲线对比。由图7可见，试验和模拟计算获得的极限载荷均约为2kN，同时有限元分析与试验结果的应力状态也是吻合的，验证了材料本构关系的准确性。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种运输容器缓冲器，其特征在于，包括：
缓冲器本体(1)，其采用泡沫铝材料，所述缓冲器本体(1)为2个一端封闭的中空圆柱体，分别套设于运输容器(2)两端；
固定组件(3)，用于将所述缓冲器本体(1)固定于运输容器(2)上。
2.根据权利要求1所述的缓冲器，其特征在于，所述缓冲器还包括覆盖于所述缓冲器本体(1)外表面的金属层；所述金属层的厚度为5～8mm。
3.一种缓冲器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：为泡沫铝的密度设置预设值，所述泡沫铝用于制备缓冲器本体(1)，根据所述预设值以及运输容器(2)的重量，获取固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在预设高度自由下落所需要的形变体积；
步骤S2：根据所述在预设高度自由下落所需要的形变体积与其在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积之间的预设规则，计算所述缓冲器本体(1)的结构特征参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
根据运输容器(2)的重量，计算运输容器(2)在预设高度自由下落所吸收的能量，
为泡沫铝的密度设置预设值，根据所述吸收的能量以及所述预设值，确定所述缓冲器本体(1)在预设高度自由下落所需要的形变体积。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
获取固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积与所述结构特征参数之间的关系；
根据所述关系以及所述预设规则，计算所述缓冲器本体(1)的结构特征参数；
所述关系用下列矩阵表示：
其中，V1为固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在竖直自由下落时所需要的形变体积，V2为固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在水平自由下落时所需要的形变体积，V3为固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)以预设角度自由下落时所需要的形变体积，X为作用因子，O为不作用因子，W为缓冲器本体(1)半径与运输容器(2)半径的差值，H1为缓冲器本体(1)高度与运输容器(2)高度的差值，H2为缓冲器本体(1)与运输容器(2)的侧面重合的高度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设规则包括：
所述固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在水平自由下落、竖直自由下落和以预设角度自由下落时所需要的形变体积均大于其在预设高度自由下落所需要的形变体积。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在竖直自由下落时所需要的形变体积V1通过下列公式表示：
V1＝π(Ri+W)2H1 (1)
其中，Ri为运输容器(2)半径，W为缓冲器本体(1)半径与运输容器(2)半径的差值，H1为缓冲器本体(1)高度与运输容器(2)高度的差值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)在水平自由下落时所需要的形变体积V2通过下列公式表示：
其中，Ri为运输容器(2)半径，W为缓冲器本体(1)半径与运输容器(2)半径的差值，H1为缓冲器本体(1)高度与运输容器(2)高度的差值，H2为缓冲器本体(1)与运输容器(2)的侧面重合的高度。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述固定在运输容器(2)上的缓冲器本体(1)以预设角度自由下落时所需要的形变体积V3通过下列公式表示：
其中，Ri为运输容器(2)半径，W为缓冲器本体(1)半径与运输容器(2)半径的差值，H为运输容器(2)高度，H1为缓冲器本体(1)高度与运输容器(2)高度的差值，a为以预设角度自由下落时缓冲器本体(1)未形变部分至缓冲器本体(1)对称轴的距离，x1为以预设角度自由下落时缓冲器本体(1)的形变部分在水平方向上的1/2倍长度。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述泡沫铝的密度以及缓冲器本体(1)的体积，进行各个方向的拉伸、压缩、剪切3种准静态和动态力学性能实验，确定泡沫铝的本构关系。
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