有限元分析实例：如何分析单一动载荷

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通常情况下，工程师们在进行设计改进之前会找出所缺少的信息。在最近的工作中有那么一种情况，那就是我们需要设计一个钢制的容器用来装低放射性废弃物（LLRW）。

这些废弃物包括诸如手套，个人防护衣物，工具，水净化过滤器，以及工厂的废弃设备，在这些废弃设备中例如泵和阀门等元件都与放射性物质接触。LLRW的放射性通常有其标准的，那就是放射性衰变周期小于500年。

处理LLRW时，工作人员将废弃物倒入钢制容器中，接着用水泥把容器内剩余体积填满。之后工作人员就将容器搁置，直到水泥固化。最后把它们永久封存埋起来。

这就是LLRW的一个永久埋置点。像图中这类设施，建材等的废弃物都会被混凝土填满。

在我们所提供的支持LLRW的处理厂里，他们将LLRW材料与湿水泥混合在一起放入安置在铲车上的箱子里。混凝土完全填满箱子，然后铲车会把箱子从填充站运送到地面上的一个临时固化地点等待水泥固化。但是在重新设计之前，即使铲车放置箱子的速度很缓慢，那也会引起一个明显的冲击，这种冲击会引起一种震动状态并且会把还未固化的水泥与废弃物的混合物溅出来。

当我们着手要去解决这个问题的时候，我们还不知道混合了不明杂质的固化水泥的体积模量。因此，我们采取了一个普遍的方案，查看介于最好情况与最差情况下的数据。我们从泵生产商那里得到混凝土泥浆数据，并且以此方法得出的数据作为出发点，执行更多的计算。不同数值的附加运行产生了最有可能（最保守）的体积模量的数值，这就使它有了物理意义。

上图显示的是在钢制容器中填充放射性废物和湿混凝土时候容器承受的压强。当铲车缓慢地将容器放在地上时容器的动态载荷达到峰值。

放置废弃物容器的应用细节

在我们平时的使用中，当铲车将填充后的容器放置时，动态负载就作用在顶部是圆形开口并且由11级规格的钢板制成的30×40×80英寸的箱子中。这类的容器一般有一个18.7英尺的双C叉道口，正好与叉车的货叉相吻合。这些叉道口横跨在容器的开口处，这就使得操作人员可以把容器一个一个叠加堆放。

当容器充满湿的混凝土之后，它就不会膨胀和溢出。当叉车将它移动放置并且固化时也不会发生形变。

只有在经过固化之后容器才是一个混凝土实心固体，这样才可以成为一个永久型存储设施。

分析方法

我们应用商业软件里有限元分析模块分析了该过程中所受到的动态载荷。我们建立几何模型，设置冲撞的响应时间以及材料性质。

在接触地面过了大约0.5秒之后，静态容器重量载荷接近10500-lbf。

叉车将容器安置在地上，这也包括了这些反作用力。

设计的关键是选取一个用于与不同的核废物碎片混合的湿的，未固化的混凝土的体积弹性模量的值。这些（如下图）就是我们最终选择的基于计算的关键设计数值：

以上这些就是我们在容器的有限元分析中使用的参数。

由于增加了2×2×1/8英寸的护角，在11级规格的钢制容器中应力水平保持在低于3135磅——这是一个可接受（安全）的标准。更重要的是，在整个缓慢碰撞过程中，挠度处于0.009-0.031英寸之间——这也是一个可接受（安全）的标准。大部分形变是由于在金属板版表面之下，湿混凝土晃动时产生的波动引起的。

这是当容器接触地面之后在0.33秒之内容器作用在叉车货叉上的挠度。

在进行这项设计项目时，我们还注意到了其他三件事情。

1.与许多工程系统一样，成本是该项目的主要考虑因素

由于LLNW放置点需要使用几十甚至上百个容器来封装大量的废弃物，所以高安全标准设计的钢制容器会花费大量的资金。更重要的是，在混凝土固化之后钢制材料就没有任何功能了——因为无论钢材质量如何，混凝土一旦固化成固体之后其结构的稳定性可保持长达500年之久。

2.过度设计的部分通常是不必要的，因为简单的解决方案往往是最奏效的

我们想要容器外部应力分布尽可能均匀。因此，我们添加了钢制护角。这样一来就减少了集中在角部的应力。事实上，在接触地面之后0.11秒内经过优化的钢制容器应力曲线图显示出没有明显的拐角应力梯度变化。

这是钢制容器接触地面后0.11秒内的应力

3.工程师应评估任何分析的结果

要做到这一点，工程师们首先应该问：分析是否有物理意义？在这里我们所描绘的应用过程中，混凝土似乎在墙上准确的推拉。这同样也是有意义的，其意义在于静态垂直梯度应力远小于动态应力。

译自：http://machinedesign.com/cad/fea-exercise-how-analyze-simple-dynamic-load?page=2

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