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承受飞射物冲击荷载的核安全级管道动态响应研究

摘要

核电站管道系统在经受飞射物的冲击碰撞后会发生破裂和穿孔，这可能导致随后的

泄漏、火灾甚至爆炸，从而引发更严重的灾难。因此，深入探究核电站管道系统在飞射

物冲击荷载作用下的动态响应模式，显得至关重要。这不仅能够填补目前核安全级管道

系统中动态评价方法和准则的缺失，还可以满足核电安全监管的需求，也有助于进一步

提升核电安全性。

本文通过准静态拉伸试验和霍普金森压杆试验给出了核电管道材料316L奥氏体不

锈钢的应力应变关系以及Johnson-Cook本构模型参数，并采用ANSYS/LS-DYNA软件构

建了对核电站管道进行飞行物冲击模拟的有限元模型，分析了网格尺寸和沙漏能对仿真

计算结果的影响。在确保所构建的数值模拟模型能够较为准确地模拟飞射物对316L钢管

道冲击问题，并具备较高精度的前提下，对承受平头飞射物和锥头飞射物冲击荷载的核

电直线形管段的动态响应模式以及承受锥头飞射物冲击荷载的压力管道弯头的动态响

应模式进行了深入研究。具体研究内容如下：

1316L

（）采用准静态拉伸试验和霍普金森压杆试验，对核级钢进行了动态力学性

能测试。成功地获取了316L钢在常温条件下的准静态拉伸数据，以及在不同的温度条件

200℃500℃800℃500s-11200s-12000s-1

（常温、、和），不同应变率（、和）条件下

高速冲击时的动态应力应变数据。利用Origin软件拟合试验结果数据，成功标定了

Johnson-Cook本构模型的参数：A251、B=1233.61、n=0.744、C=0.0887、m=0.00101。

为后续对承受飞射物冲击载荷作用下核电厂压力管道的动态响应进行的有限元研究提

供重要的参数支持。

2ANSYS/LS-DYNA

（）在确保利用构建的数值模拟模型具备较高精度的前提下，

对承受平头飞射物和锥头飞射物冲击荷载的核电站直线形管段的动态响应模式进行了

深入研究。详细地描述了两种飞射物冲击下管道的失效现象、穿孔形貌以及能量转化规

律。发现平头飞射物由于其平直的边缘，容易在管道表面产生冲塞型破坏。而锥头飞射

物由于其尖锐的锥头，很容易造成管道外壁的破裂和穿孔，最终形成一种花瓣形的破坏

形态。对比发现，锥头飞射物在冲击过程中会造成管壁更大的凹陷深度和具有更强的杀

伤能力。最后，系统地分析了飞射物冲击速度、管道壁厚、管道内压等主要参数对核电

站直线形管段动态响应模式的影响规律，研究发现，飞射物的冲击速度与对管道的破坏

作用呈正相关。并且通过合理增加管道壁厚，可以提高管道的抗冲击性能。随着管道内

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部压力的逐渐增大，其等效刚度也相应地得到了提升，这会降低飞射物对管道冲击区域

的损伤。

3ANSYS/LS-DYNA

（）利用软件对核电站压力管道弯头在受到锥头飞射物冲击荷

载时的动态响应模式进行了深入的研究，并明确了其失效方式和损伤特性。同时，还探

讨了不同飞射物质量、飞射物锥头角度以及飞射物冲击角度（水平冲击角度、竖直冲击

角度）对弯头临界穿透能量和弹道极限速度的影响。结果显示，压力管道弯头主要的破

坏形式为花瓣型破坏，并且可以根据损伤的严重程度将压力管道弯头划分为三个不同的

IIIIII

区域：区域（穿孔区域）、区域（凹陷区域）和区域（未受损伤区域）。弯头的临

界穿透能量随着飞射物质量的增加而逐渐减小，随着锥头角度的增加而增加。冲击角度

0°15°

范围在至时，弯头更容易被锥头飞射物穿透。

316L

关键词：核电站管道系统