井下救生艙抵抗爆炸沖擊的數(shù)值模擬

馬立東，潘海彥，王 云，孟智娟

(1.太原科技大學 材料科學與工程學院，太原 030024;2.燕山大學 機械工程學院，秦皇島 066004;3.太原科技大學 應用科學學院，太原 030024)

我國的一次能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭資源的比重一直是最高的，已成為國家制定的2020年發(fā)展規(guī)劃能否順利實現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一[1]。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對于煤炭的需求預計在下一個10年內(nèi)仍然保持迅猛增長狀態(tài)，煤炭生產(chǎn)過程中伴隨而來的采礦事故頻發(fā)，造成大量人員傷亡是近年來困擾煤炭行業(yè)發(fā)展的首要問題。發(fā)達國家對礦井事故的應急救援工作的重要部分進行了大量的研究。其中，南非、加拿大、美國、澳大利亞等國在礦山中設置和使用救生艙，已經(jīng)是礦井應急救援中的一項成熟而有效的技術(shù)，并且已經(jīng)有過成功營救的案例[2－3]。

國外救生艙研究的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向內(nèi)部空間生存環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制，比如空氣成分控制和毒氣過濾裝置、艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、精神和心理調(diào)節(jié)相關(guān)培訓[4－6]等方面。

目前，國家有關(guān)部門規(guī)定:煤與瓦斯突出礦井以外的其他礦井，從采掘工作面步行，凡在自救器所能提供的額定防護時間內(nèi)部能安全撤到地面的，必須在距離采掘工作面1 000 m范圍內(nèi)建設避難硐室或救生艙;針對該規(guī)定未按要求做的生產(chǎn)企業(yè)可依法吊銷生產(chǎn)許可證[7]。國內(nèi)救生艙研究工作尚處于空白狀態(tài)?？萍疾俊笆晃濉笨萍贾斡媱潓Α翱梢苿邮骄壬摗碧岢龅膬身楆P(guān)鍵性的指標，就是抗爆炸沖擊和持續(xù)耐高溫。規(guī)定救生艙抗沖擊能力不低于1.5 MPa;具備可承受最大沖擊波壓力不低于1.0 MPa。對隔熱性能和空調(diào)系統(tǒng)也提出要求，在外部環(huán)境長期高于80℃的條件下，艙體內(nèi)部溫度不可高于35℃[8]。當前，國內(nèi)對礦用救生艙的研制至今還沒有成熟的產(chǎn)品投入使用。一些廠家由于對煤礦井下發(fā)生事故時的特殊環(huán)境了解不透徹，導致產(chǎn)品研發(fā)進程走了很多彎路，或者研制出的產(chǎn)品不能符合實際要求[9]。

由于缺少設計研發(fā)和實際應用等方面的經(jīng)驗，國內(nèi)救生艙生產(chǎn)大多通過嘗試法來進行設計，并且極少部分借助爆炸試驗來進行驗證。在國家政策的要求下，救生艙的使用又迫在眉睫，因此搶占市場成為生產(chǎn)廠商和研發(fā)單位的首要任務。為了提高救生艙結(jié)構(gòu)的可靠性、節(jié)約實驗成本和縮短設計周期，作者與某機械廠合作，應用非線性顯式有限元算法對其所設計救生艙結(jié)構(gòu)抵抗沖擊能力進行模擬分析，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進提供理論上的指導。

本文對兩種典型爆炸沖擊載荷(艙頭正面沖擊和艙體側(cè)面沖擊)進行了模擬，根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定和廠方要求對四種典型峰值超壓下的載荷進行分析，并討論救生艙的變形行為與結(jié)果。

1 幾何結(jié)構(gòu)

救生艙的結(jié)構(gòu)(如圖1)特征為由門框式骨架作為支撐，骨架之間通過不薄于4 mm的波紋鋼板連接。連接方式有螺釘緊固和焊接兩種方式，為了方便運輸和拆卸救生艙結(jié)構(gòu)設計成若干個重復單元(如圖2)的連接，可以根據(jù)空間條件和人員數(shù)量組裝其長度。底部則和地面進行固定連接，以防止受到?jīng)_擊被掀翻或移動。外部鋼板作為保護結(jié)構(gòu)，其強度是重點，內(nèi)部還有隔熱層、吸附層、裝飾層等結(jié)構(gòu)，為了提供生存所需條件內(nèi)部還配備有其它維持生存環(huán)境的設備。因而支撐結(jié)構(gòu)和外部鋼板對爆炸沖擊的抵抗能力決定著內(nèi)部各種功能模塊及設備的安全。

圖1 救生艙總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of refuge chamber

2 數(shù)值模型

2.1 邊界說明和載荷條件

從救生艙結(jié)構(gòu)特點可以看出除了兩頭艙門其結(jié)構(gòu)可認為是重復單元的連接，為了減少計算量可針對其重復結(jié)構(gòu)(如圖2)進行模擬分析。為了驗證局部分析的可靠性，本文對整體也進行了完整的模擬分析，與局部分析對比，兩者結(jié)果一致。第二種工況為艙頭承受正向的爆炸沖擊，以驗證艙頭結(jié)構(gòu)(如圖3)的抵抗能力。

圖2 救生艙的單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Refuge chamber unit

圖3 救生艙的艙頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Head of refuge chamber

經(jīng)前面敘述，外部鋼板和支撐結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊的響應是本次分析的重點。邊界條件為:① 底面是和地面連接進行固定;② 骨架及鋼板通過焊接相連成為一體;③ 爆炸點于遠處，沖擊波波面為平面;④ 根據(jù)沖擊波超壓峰值變化曲線進行加載;⑤ 不考慮二次沖擊或者回彈沖擊波;⑥ 艙體處于自由空間，能夠正?；貜棥?/p>

2.2 有限元模型

根據(jù)三向尺寸的關(guān)系特點，骨架結(jié)構(gòu)采用實體單元(減縮積分六面體單元)，而鋼板為殼體單元(厚度方向五個積分點普通殼單元)。骨架與鋼板之間通過綁定約束(tie)模擬焊接;骨架與鋼板結(jié)構(gòu)底部均做固定約束(encastre)邊界以模擬底部與地面的固定連接;載荷采用給定幅值曲線的均布面力(contribution)模擬爆炸產(chǎn)生的沖擊波平面。圖4所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果和邊界設定情況。使用動態(tài)顯式算法對瞬間沖擊過程及響應進行計算，回彈分析則以動態(tài)分析結(jié)果作為初始狀態(tài)，用靜態(tài)隱式算法進行計算。分別采用了兩種算法的優(yōu)點，提高計算效率及結(jié)構(gòu)的準確度。

瓦斯爆炸沖擊波衰減規(guī)律及破壞效應的模擬分析為礦難救生系統(tǒng)的研究及設計提供了高仿真度的實驗環(huán)境，一定程度上彌補了無法進行真實爆炸實驗的不足。

圖4 救生艙結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格與邊界Fig.4 Mesh and boundary

骨架與鋼板材料均為Q345－A，其彈性模量為207 GPa，泊松比 0.3，密度 7.85 g/cm3，通過實驗測得其屈服曲線如圖4所示。當變形量較大時名義應力－應變無法準確描述其變形行為，必須轉(zhuǎn)換成真實應力－真實應變:

式中:σnom、εnom分別為名義應力、名義應變，σ與ε為真實應力、真實應變。

圖5 Q345－A的屈服曲線Fig.5 Strain and stress curve of Q345 － A

沖擊是瞬態(tài)過程，采用顯式動力分析能夠避免迭代收斂的問題和提高計算效率并且得到正確的結(jié)果?；貜梽t是在自由狀態(tài)下應力的一種釋放過程即沒有外力的加載，采用隱式分析進行計算可以得到更準確的結(jié)果。通過數(shù)據(jù)傳遞實現(xiàn)兩種算法的結(jié)合，以顯式動力分析的結(jié)果數(shù)據(jù)作為回彈分析的初始條件進行后續(xù)分析，邊界條件不變的情況下進行回彈分析。

結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括:骨架發(fā)生最大位移、鋼板中心變形量、頂部最大位移量及應力最大值和以上結(jié)果所在區(qū)域。

文獻[10]通過數(shù)值模擬瓦斯爆炸，得出超壓為1.5 MPa沖擊波壓力隨時間的變化曲線。其有效作用時間約為5 ms，超壓峰值曲線為極速上升到最大值然后緩慢下降。文獻[11]于真實試驗巷道中對瓦斯爆炸進行了數(shù)據(jù)采集工作，并得出了 0.5 MPa、0.92 MPa 和 2.2 MPa情況下的超壓，其超壓峰值變化曲線均為急劇上升然后緩慢下降的趨勢。并得出在有障礙物的情況下其峰值壓力最大可以達到2.5 MPa。提出了救生艙安裝位置應該避免使其成為障礙物，以減少爆炸過程沖擊波因激勵作用增加對其沖擊。根據(jù)文獻[10]超壓峰值曲線對1.5 MPa峰值沖擊波情況進行加載，根據(jù)文獻[11]所得超壓峰值近似作為 0.5 MPa、1 MPa、2 MPa峰值進行加載。最終加載數(shù)據(jù)如表1所示。

由于超壓沖擊時間很短，在幾毫秒時間內(nèi)。鋼架結(jié)構(gòu)的溫度不足以在瞬時內(nèi)發(fā)生很大變化，因而不考慮溫度對材料性能的影響[12]。

表1 超壓峰值及其作用時間 單位:毫秒Tab.1 Ultra-pressure and effecting time unit:ms

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)單元側(cè)面沖擊響應

0.5 MPa峰值艙體結(jié)構(gòu)只發(fā)生彈性變形，經(jīng)過回彈后完全恢復(如圖6所示);1 MPa峰值中部區(qū)域局部發(fā)生塑性變形;1.5 MPa塑性變形區(qū)域擴大并且骨架底部局部有塑性變形;根據(jù)加載曲線2 MPa時作用時間的急劇增大，使結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的塑性變形，最大位移達到251.2 mm。以上產(chǎn)生的最大位移量與救生艙寬度方向跨度相比小于20%，減去艙體的撓度變形量遠小于此。所有載荷所得結(jié)果列于表2。

表2 側(cè)面沖擊產(chǎn)生位移及回彈 單位:毫米Tab.2 Reaction displacement and rebound unit:mm

表2結(jié)果顯示，隨著超壓峰值的增高變形量增大很快，且不和載荷峰值呈線性關(guān)系，和有效作用時間也并非線性關(guān)系，如圖7所示(圖中從上往下的曲線分別為變形位移、最終位移、回彈量)。

圖6 0.5 MPa載荷下回彈量及最終變形圖Fig.6 Rebound in 0.5 MPa and the results

圖7 單元位移隨壓力峰值變化曲線Fig.7 Maximum displacement VS.ultra-pressure

圖8 正面沖擊模型邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Boundary and mesh

3.2 正面沖擊

經(jīng)過整體模擬結(jié)果得出正面遭受2.0 MPa最大超壓峰值爆炸沖擊下只有與受沖擊艙門連接的第一節(jié)結(jié)果發(fā)生變形，為了減少計算量，即可只對一節(jié)進行計算來反映整體的變形。其邊界條件為底面與里側(cè)骨架固定約束，如圖9所示。艙門、骨架和鋼板之間的連接與前面算例一樣通過綁定約束(tie)模擬，加載條件為表1所示。產(chǎn)生的變形量和回彈值結(jié)果列于表3。

表3 救生艙正面承受沖擊載荷的位移 單位:毫米Tab.3 Reaction displacement and rebound unit:mm

隨著超壓峰值的增大，變形位移和回彈位移均增加，但2 MPa超壓峰值時回彈位移出現(xiàn)了異常，比1 MPa的回彈位移量還小。由于變形發(fā)生的主要部位為艙門中部，經(jīng)過分析，艙門結(jié)構(gòu)的特點為四周和骨架進行固定連接，在2 MPa超壓峰值作用下中部變形很大出現(xiàn)了嚴重的凹陷，四周固定則應力無法釋放所以不能夠產(chǎn)生有效的回彈，導致回彈位移很小。圖9(圖中曲線由上至下分別對應A、B、C、D、E)為艙門上采樣點位置及其變形過程中位移變化曲線。根據(jù)模擬結(jié)果艙門在2MPa超壓峰值沖擊波作用下發(fā)生了很大變形，最大達到240.3 mm(如圖10所示)，與鋼板寬度方向跨度比值達到約50%。此時可能會對艙體內(nèi)部的設備及儀器造成沖擊和破壞，因而艙門結(jié)構(gòu)需要增大強度或者設計成中間向外凸出結(jié)構(gòu)。

圖9 艙門數(shù)據(jù)樣點位置及其位移變化曲線Fig.9 The sample points its displacement curves

圖10 2.0 MPa載荷下艙門回彈量及最終變形圖Fig.10 The rebound of door in 2.0 MPa ultra-pressure

4 結(jié)論

通過對救生艙側(cè)面和正面進行沖擊載荷模擬，得出以下結(jié)論:

(1)救生艙變形最大位移與超壓峰值和有效作用時間的關(guān)系不是簡單線性關(guān)系，而是隨著二者的增大急劇增加。

(2)在側(cè)面沖擊中，由于結(jié)構(gòu)和變形的對稱性回彈量增大，但是最終變形位移仍是隨載荷增大急劇增加。

(3)在正面沖擊中，艙頭中部和邊部變形具有截然不同的趨勢;中部向里凹陷，邊部往外翹出。變形嚴重時，回彈變得困難即回彈量很小，使得最終變形量隨著超壓增高增加更快。

(4)該結(jié)構(gòu)中艙頭在2.0 MPa超壓峰值作用下發(fā)生嚴重變形，可能對內(nèi)部的設備和儀器造成破壞，艙門需要提高強度。

(5)在有限元分析中，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點對其進行簡化，在允許的精度范圍內(nèi)可以極大減小計算量。

目前，國內(nèi)流行的救生艙結(jié)構(gòu)大部分都是多個單元連接的箱式結(jié)構(gòu)，本文的研究方法以及結(jié)果能夠為救生艙的設計提供有效的幫助。

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