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，導致巨大的官僚損失和巨大的財產(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80%遇難礦工是由于爆炸后其附近區(qū)域缺氧、充滿高溫煙氣或高濃度有毒有害氣體、因爆炸坍塌、透水等原因而無法及時撤離到安全區(qū)域或升井而造成的。救生艙是為無法安全撤至地面的遇險人員提供基本生存條件的緊急避險設(shè)施,主要包括安全防護系統(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),動力供應(yīng)系統(tǒng),環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),生存保障系統(tǒng)八大系統(tǒng)。救生艙板殼結(jié)構(gòu)是一個密封且堅固的機械系統(tǒng),具有防止有毒有害氣體進入艙內(nèi)的能力。瓦斯煤塵爆炸產(chǎn)生的強大沖擊波會使板殼結(jié)構(gòu)(下文簡稱殼體)發(fā)生一定程度的塑性變形,甚至發(fā)生傾倒和扭曲,變形嚴重會破壞密封。為此,2011-01-27,國家煤礦安監(jiān)局下發(fā)了《煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》,對包括救生艙在內(nèi)的煤礦井下緊急避險系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、使用做出詳細規(guī)定,提高煤礦井下緊急避險能力,減少事故傷亡,促進煤礦安全生產(chǎn)。救生艙大致可分為固定式、移動式和快速充氣式,固定式和移動式均為密封且堅固可靠的長筒形金屬艙體,其殼體由板材、鋼管、工字鋼、槽鋼等型鋼以及法蘭通過焊接、栓鉚連接而成。移動式可隨作業(yè)場所變遷而移動,改變架設(shè)位置。按機械結(jié)構(gòu)特點,移動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,具有方便拆卸運輸?shù)膬?yōu)點。目前,國內(nèi)外救生艙關(guān)鍵技術(shù)以及對救生艙的抗爆性能、隔熱性能等進行試驗研究已趨成熟,盡管對救生艙殼體抗沖擊載荷作用變形,與沖擊載荷導致的變形相關(guān)的某些因素,以及簡要的救生艙方案設(shè)計等方面進行了工作,利用非線性動力分析有限元軟件證明了某分段式煤礦可移動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。但國內(nèi)外救生艙殼體設(shè)計及強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,來校驗殼體的安全性和可行性,得出強度、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)品進一步的改進提供指導性建議。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),主要失效模式為強度失效與變形失效。相同尺寸的長方體容器載人多,但其拐角易出現(xiàn)應(yīng)力集中,且耐壓性低于圓形容器,需要對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并校核。救生艙除底面外的各面承受沖擊波載荷,可簡化為兩端固定的簡支梁,如圖1所示。其撓度最大值出現(xiàn)在梁中間位置,繞曲線方程見式(1),最大撓度方程見式(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、供避險人員生存的凈空間)時應(yīng)減短長度。根據(jù)井口尺寸確定寬高尺寸,由容積確定基本長度,從運輸、艙段間密封風險等角度確定基本艙段長度。以12人艙為例,過渡艙的凈容積應(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l=10m,寬b=1.8m,高h=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為梁的長度。式中,f為梁的最大撓度。瓦斯煤塵爆炸壓力峰值可能達到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)滿足移動式中壓鋼制容器的結(jié)構(gòu)標準。根據(jù)GB150-2011中的規(guī)定,蒙皮選取強度、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算載荷。超壓峰值0.6MPa,持續(xù)時間300ms的三角波等效計算靜壓力Pe為式中,Pmax為施加在殼體上的反射壓力峰值,MPa;Cd為動載系數(shù);t1為三角波持續(xù)時間,取300ms;T為結(jié)構(gòu)的自振周期,采用柱殼計算公式,矩形薄板自振周期一般為毫秒級;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,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,法蘭有較高的強度。1.2結(jié)構(gòu)的分段變化殼體可簡化為中間加兩個簡支約束的簡支梁,梁的中間有縱向支撐結(jié)構(gòu)時,其抗彎剛度分段變化,受力簡,如圖2所示。在殼體內(nèi)部/外部焊接慣性矩足夠的加強圈,以進一步避免失效。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“#”形加強筋局部加強。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,下文簡稱it),圖3(b)為內(nèi)部焊接矩形管的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithinternalrectangulartube,下文簡稱IR),圖3(c)為在外部焊接扁鋼的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithexternalsteel,下文簡稱ET),圖3(d)為外部焊接矩形管的殼體結(jié)構(gòu)(shellwithexternalrectangulartube,下文簡稱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性動力分析程序ANSYS/LS-DY-NA計算爆炸載荷作用下殼體的應(yīng)力和彈塑性變形。該動力問題的基本方程為式中,δ(t)為整個彈性體上的節(jié)點位移矩陣;P(t)為單元節(jié)點載荷矩陣;K為總剛度矩陣;M為總質(zhì)量矩陣;C為總阻尼矩陣。對于動態(tài)結(jié)構(gòu),應(yīng)力和位移都是時間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,焊腳高度對結(jié)構(gòu)無影響;機座結(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)力對結(jié)構(gòu)件無影響。考慮模型實際尺寸及計算需要,蒙皮、加強筋采用薄殼單元劃分網(wǎng)格。法蘭采用實體單元劃分網(wǎng)格。螺栓聯(lián)接采用彈簧阻尼單元劃分網(wǎng)格。設(shè)置殼單元最大單元尺寸為50mm,實體單元最大單元尺寸為25mm。殼體底部固定,簡化為沿救生艙縱向多點固定約束。采用彈塑性非線性本構(gòu)模型,查機械手冊得材料特性參數(shù)見表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-時間曲線如圖4所示。2.2數(shù)值計算結(jié)果和分析計算完成后,提取動力學分析過程中殼體(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識所受應(yīng)力大小的程度,顏色由藍色逐漸過度到紅色,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,外部加強筋緩沖殼體承受沖擊波壓力的能力略優(yōu)于內(nèi)部加強筋,因為矩形管為中空結(jié)構(gòu),略有吸能作用。2.2.2面的門區(qū)外中間位置位移δ出現(xiàn)最大值的某時刻位移云圖,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優(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)果見表2,以σ,δ的大小對比表征加強筋結(jié)構(gòu)對殼體抗沖擊性能的影響對比,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)。材料強度高時,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,可同時使用外部矩形管和內(nèi)部扁鋼加強筋。在允許情況下,對薄弱部位進行局部加強,將倒角處改進為圓角。增大螺栓安裝規(guī)格,一起進一步加強救生艙抗沖擊性能。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、強度要求、有效容積等因素,參考壓力容器標準,確定救生艙板殼結(jié)構(gòu)的基本尺寸;然后依據(jù)力學理論,考慮殼體可能出現(xiàn)的失效形式,設(shè)計了內(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)利用動力學有限元方法,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