救生艙板殼結(jié)構(gòu)抗爆炸載荷模擬

救生艙板殼結(jié)構(gòu)抗爆炸載荷模擬

礦山采礦爆炸是礦山的五大自然災(zāi)害之一，導(dǎo)致巨大的官僚損失和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。在煤礦瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、透水、冒頂?shù)仁鹿手?大約超過(guò)80%遇難礦工是由于爆炸后其附近區(qū)域缺氧、充滿(mǎn)高溫?zé)煔饣蚋邼舛扔卸居泻怏w、因爆炸坍塌、透水等原因而無(wú)法及時(shí)撤離到安全區(qū)域或升井而造成的。救生艙是為無(wú)法安全撤至地面的遇險(xiǎn)人員提供基本生存條件的緊急避險(xiǎn)設(shè)施,主要包括安全防護(hù)系統(tǒng),通訊系統(tǒng),氧氣供給保障系統(tǒng),照明和指示系統(tǒng),空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng),動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng),環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),生存保障系統(tǒng)八大系統(tǒng)。救生艙板殼結(jié)構(gòu)是一個(gè)密封且堅(jiān)固的機(jī)械系統(tǒng),具有防止有毒有害氣體進(jìn)入艙內(nèi)的能力。瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波會(huì)使板殼結(jié)構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)殼體)發(fā)生一定程度的塑性變形,甚至發(fā)生傾倒和扭曲,變形嚴(yán)重會(huì)破壞密封。為此,2011-01-27,國(guó)家煤礦安監(jiān)局下發(fā)了《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》,對(duì)包括救生艙在內(nèi)的煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、使用做出詳細(xì)規(guī)定,提高煤礦井下緊急避險(xiǎn)能力,減少事故傷亡,促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。救生艙大致可分為固定式、移動(dòng)式和快速充氣式,固定式和移動(dòng)式均為密封且堅(jiān)固可靠的長(zhǎng)筒形金屬艙體,其殼體由板材、鋼管、工字鋼、槽鋼等型鋼以及法蘭通過(guò)焊接、栓鉚連接而成。移動(dòng)式可隨作業(yè)場(chǎng)所變遷而移動(dòng),改變架設(shè)位置。按機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn),移動(dòng)式救生艙分為組裝式、一體式、其它。組裝式救生艙殼體由一定數(shù)量的基本結(jié)構(gòu)單元組裝而成,具有方便拆卸運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外救生艙關(guān)鍵技術(shù)以及對(duì)救生艙的抗爆性能、隔熱性能等進(jìn)行試驗(yàn)研究已趨成熟,盡管對(duì)救生艙殼體抗沖擊載荷作用變形,與沖擊載荷導(dǎo)致的變形相關(guān)的某些因素,以及簡(jiǎn)要的救生艙方案設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了工作,利用非線(xiàn)性動(dòng)力分析有限元軟件證明了某分段式煤礦可移動(dòng)式硬體救生艙承受具體三角形爆炸沖擊波作用下的結(jié)構(gòu)安全性,且驗(yàn)證了所采用的仿真方法可以得出有效且通用的結(jié)果。但國(guó)內(nèi)外救生艙殼體設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核方面需要更多理論支持。為此,擬根據(jù)救生艙性能要求,確定典型殼體結(jié)構(gòu),利用有限元方法,分析殼體在爆炸載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力及變形,來(lái)校驗(yàn)殼體的安全性和可行性,得出強(qiáng)度、性能最優(yōu)化的殼體結(jié)構(gòu)形式,確定不同情況下較合適的基本結(jié)構(gòu),以期理論研究為產(chǎn)品進(jìn)一步的改進(jìn)提供指導(dǎo)性建議。1救生艙結(jié)構(gòu)及容量的確定殼體在發(fā)生瓦斯煤塵爆炸情況下,處于承受外壓的狀態(tài),主要失效模式為強(qiáng)度失效與變形失效。相同尺寸的長(zhǎng)方體容器載人多,但其拐角易出現(xiàn)應(yīng)力集中,且耐壓性低于圓形容器,需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核。救生艙除底面外的各面承受沖擊波載荷,可簡(jiǎn)化為兩端固定的簡(jiǎn)支梁,如圖1所示。其撓度最大值出現(xiàn)在梁中間位置,繞曲線(xiàn)方程見(jiàn)式(1),最大撓度方程見(jiàn)式(2),因此在保證有效容積(即救生艙內(nèi)除去設(shè)備、材料占用空間外所剩余的、供避險(xiǎn)人員生存的凈空間)時(shí)應(yīng)減短長(zhǎng)度。根據(jù)井口尺寸確定寬高尺寸,由容積確定基本長(zhǎng)度,從運(yùn)輸、艙段間密封風(fēng)險(xiǎn)等角度確定基本艙段長(zhǎng)度。以12人艙為例,過(guò)渡艙的凈容積應(yīng)不小于1.8m3;生存艙的有效容積應(yīng)不小于0.8m3/人×12人=9.6m3,取救生艙總長(zhǎng)l=10m,寬b=1.8m,高h(yuǎn)=1.9m。式中,v為梁的撓度,mm;q為均布載荷,kN/m;E′為鋼的彈性模量,N/mm2;I為鋼的界面慣矩,mm4;l為梁的長(zhǎng)度。式中,f為梁的最大撓度。瓦斯煤塵爆炸壓力峰值可能達(dá)到0.9MPa以上,高溫可能超出2000℃,為避免安全隱患,救生艙殼體應(yīng)滿(mǎn)足移動(dòng)式中壓鋼制容器的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB150-2011中的規(guī)定,蒙皮選取強(qiáng)度、加工性能等綜合性能較好的Q345-B鋼板,厚度δe。以可覆蓋沖擊波的三角波作為原始計(jì)算載荷。超壓峰值0.6MPa,持續(xù)時(shí)間300ms的三角波等效計(jì)算靜壓力Pe為式中,Pmax為施加在殼體上的反射壓力峰值,MPa;Cd為動(dòng)載系數(shù);t1為三角波持續(xù)時(shí)間,取300ms;T為結(jié)構(gòu)的自振周期,采用柱殼計(jì)算公式,矩形薄板自振周期一般為毫秒級(jí);E為楊氏模量,取206GPa;ρ為殼體材料密度,取7.8g/cm3;R為殼體半徑,取長(zhǎng)方體等體積換算直徑圓筒外直徑D02R2.0872m,由,查GB150-2011,差值取圓筒外壓應(yīng)變系數(shù)A為9×10-4。取承受溫度較高的曲線(xiàn),確定外壓應(yīng)力系數(shù)B為54MPa。井下環(huán)境中,腐蝕裕量不小于1mm,取2mm。厚度允許偏差按GB/T709-2006的B類(lèi)偏差,取為0.55。有效板厚=6.5708+2+0.55=9.1208mm,向上圓整為10mm。選取厚10mm鋼板作為殼體蒙皮。選取聯(lián)接法蘭厚度為35mm,以保證能不影響密封情況下,法蘭有較高的強(qiáng)度。1.2結(jié)構(gòu)的分段變化殼體可簡(jiǎn)化為中間加兩個(gè)簡(jiǎn)支約束的簡(jiǎn)支梁,梁的中間有縱向支撐結(jié)構(gòu)時(shí),其抗彎剛度分段變化,受力簡(jiǎn),如圖2所示。在殼體內(nèi)部/外部焊接慣性矩足夠的加強(qiáng)圈,以進(jìn)一步避免失效。在殼體內(nèi)外分別取40mm×60mm扁鋼、70mm×50mm×4mm矩形管4種結(jié)構(gòu)。端面為迎爆面,在端面內(nèi)部焊接“#”形加強(qiáng)筋局部加強(qiáng)。1.3殼體結(jié)構(gòu)模型殼體基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,以單艙段視圖展現(xiàn)各殼體的筋架布置,圖3(a)為內(nèi)部焊接扁鋼的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithinternalsteel,下文簡(jiǎn)稱(chēng)it),圖3(b)為內(nèi)部焊接矩形管的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithinternalrectangulartube,下文簡(jiǎn)稱(chēng)IR),圖3(c)為在外部焊接扁鋼的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithexternalsteel,下文簡(jiǎn)稱(chēng)ET),圖3(d)為外部焊接矩形管的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithexternalrectangulartube,下文簡(jiǎn)稱(chēng)ER),焊接需保證工藝要求。2殼體結(jié)構(gòu)的抗爆炸影響安全值的模擬2.1有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分采用顯式非線(xiàn)性動(dòng)力分析程序ANSYS/LS-DY-NA計(jì)算爆炸載荷作用下殼體的應(yīng)力和彈塑性變形。該動(dòng)力問(wèn)題的基本方程為式中,δ(t)為整個(gè)彈性體上的節(jié)點(diǎn)位移矩陣;P(t)為單元節(jié)點(diǎn)載荷矩陣;K為總剛度矩陣;M為總質(zhì)量矩陣;C為總阻尼矩陣。對(duì)于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),應(yīng)力和位移都是時(shí)間t的函數(shù),單元內(nèi)的應(yīng)變、應(yīng)力為式中,ε(t)為單元內(nèi)的應(yīng)變;σ(t)為單元內(nèi)的應(yīng)力;δ(t)e為單元節(jié)點(diǎn)位移列陣;B為應(yīng)變矩陣。假設(shè):結(jié)構(gòu)件的焊接是完全可靠的,結(jié)構(gòu)件之間已焊透,焊接應(yīng)力全部消除,焊腳高度對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)影響;機(jī)座結(jié)構(gòu)不存在任何制造或安裝變形;螺栓連接可靠,其預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)件無(wú)影響?？紤]模型實(shí)際尺寸及計(jì)算需要,蒙皮、加強(qiáng)筋采用薄殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。法蘭采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。螺栓聯(lián)接采用彈簧阻尼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。設(shè)置殼單元最大單元尺寸為50mm,實(shí)體單元最大單元尺寸為25mm。殼體底部固定,簡(jiǎn)化為沿救生艙縱向多點(diǎn)固定約束。采用彈塑性非線(xiàn)性本構(gòu)模型,查機(jī)械手冊(cè)得材料特性參數(shù)見(jiàn)表1。選用拉格朗日算法,加載壓力波。端面施加超壓峰值1.0MPa的沖擊載荷;側(cè)面及頂面加載減半,壓力-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示。2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析計(jì)算完成后,提取動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中殼體(為直觀顯示結(jié)果,隱藏筋架)典型云圖,以分析4種模型的受力、變形情況。2.2.1初始應(yīng)力er應(yīng)力σ出現(xiàn)最大值的某時(shí)刻應(yīng)力云圖,如圖5所示。在應(yīng)力云圖中顏色條的不同顏色標(biāo)識(shí)所受應(yīng)力大小的程度,顏色由藍(lán)色逐漸過(guò)度到紅色,表示所受應(yīng)力由小到大(下同)。殼體IT,IR,ET,ER應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在中間或倒角的加強(qiáng)筋焊接處,分別為400.7,393.1,313.2,375.1MPa。ET最大應(yīng)力未超出屈服極限;IT,IR,ER僅有極小的塑性變形區(qū)域,且最大應(yīng)力值低于強(qiáng)度極限,表明這些結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)破壞失效。σET<σER<σIR<σIT,外部加強(qiáng)筋緩沖殼體承受沖擊波壓力的能力略?xún)?yōu)于內(nèi)部加強(qiáng)筋,因?yàn)榫匦喂転橹锌战Y(jié)構(gòu),略有吸能作用。2.2.2面的門(mén)區(qū)外中間位置位移δ出現(xiàn)最大值的某時(shí)刻位移云圖,如圖6所示。殼體IT,IR,ET,ER位移最大值均出現(xiàn)在前后端面的門(mén)區(qū)外中間位置及各艙段中間位置,分別為12.14,14.16,18.36,16.32mm,均未出現(xiàn)變形失效。內(nèi)部加強(qiáng)筋起到更好的抗彎效果,內(nèi)部扁鋼抗彎性能最優(yōu),但占用較多內(nèi)部空間,且可能形成熱橋。外部筋架中,矩形管的抗彎性能略?xún)?yōu)于扁鋼,可能因矩形管作用面大,且其中空結(jié)構(gòu)有緩沖壓力的作用。3結(jié)構(gòu)形式的選擇過(guò)小型以上分析表明數(shù)值模擬結(jié)果與沖擊波響應(yīng)特性一致,主要結(jié)果見(jiàn)表2,以σ,δ的大小對(duì)比表征加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)殼體抗沖擊性能的影響對(duì)比,σ越小表示減弱殼體受力效果越好;δ越小表示減弱殼體變形效果越好。結(jié)合式(2)得出:(1)長(zhǎng)度較短的小型艙,側(cè)面撓度較小,殼體可能破壞失效,且容積有限,選取ER或ET結(jié)構(gòu)。(2)中型艙,側(cè)面撓度較大,且殼體可能破壞失效,選取IR或者IT結(jié)構(gòu)。材料強(qiáng)度高時(shí),可以選取IT。(3)大型艙,側(cè)面撓度大,且殼體可能破壞失效,結(jié)合ER,IT結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),可同時(shí)使用外部矩形管和內(nèi)部扁鋼加強(qiáng)筋。在允許情況下,對(duì)薄弱部位進(jìn)行局部加強(qiáng),將倒角處改進(jìn)為圓角。增大螺栓安裝規(guī)格,一起進(jìn)一步加強(qiáng)救生艙抗沖擊性能。4殼內(nèi)載荷作用下的變形響應(yīng)(1)考慮救生艙的工作環(huán)境、強(qiáng)度要求、有效容積等因素,參考?jí)毫θ萜鳂?biāo)準(zhǔn),確定救生艙板殼結(jié)構(gòu)的基本尺寸;然后依據(jù)力學(xué)理論,考慮殼體可能出現(xiàn)的失效形式,設(shè)計(jì)了內(nèi)部焊接有扁鋼、內(nèi)部焊接有矩形管、外部焊接有扁鋼、外部焊接有矩形管4種殼體結(jié)構(gòu)及布置方式,扁鋼尺寸取40mm×60mm,矩形管尺寸取80mm×40mm×5mm,建立了具體模型。(2)利用動(dòng)力學(xué)有限元方法,分析幾種殼體結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下產(chǎn)生響應(yīng),考慮安全系數(shù),加載了波峰為1.0MPa,持續(xù)300ms三角形沖擊波,計(jì)算結(jié)果表明幾種殼體位移分別為12.14,14.16,18.36,16.32mm,最大應(yīng)力分別為400.7,393.1