礦用救生艙加強筋板設計

礦用救生艙加強筋板設計

救生艙是該煤礦應急系統(tǒng)的核心。它的主要功能是為受影響礦山的礦山提供安全的關閉空間，以確保不受外部爆炸、坍塌、煤氣源等災變環(huán)境的影響。救生艙在使用過程中,首先要防止外部一氧化碳等有毒有害氣體進入艙內,造成艙內避險人員傷亡;其次,要控制救生艙承受載荷后的變形量,防止殼體的過大變形導致避險人員無法進入。在救生艙殼體結構的研究方面,文獻提出了救生艙抵抗的最大沖擊壓力等技術指標,驗證了殼體強度的邊界條件;文獻采用加強筋板組合截面的彎曲剛度與矩形截面彎曲剛度的比值,來衡量結構承載能力;文獻基于對殼體結構抗暴強度的數(shù)值模擬計算,提出在殼體法蘭兩兩連接區(qū)域,各補焊一對加強板來提高殼體的抗爆性能;文獻提出在救生艙殼體外部增加加強圈,來改善長方體殼體的抗壓性能。文獻提出在救生艙殼體內部采用T型截面的加強筋板代替I型筋板,通過提高抗彎截面系數(shù)來增強加強肋的抗彎能力。文獻在沖擊載荷作用下對殼體的動態(tài)響應進行數(shù)值模擬分析,證明了加強筋板對減小救生艙表面位移、提高抗沖擊能力起到主要作用。文獻用序列線性規(guī)劃方法對救生艙殼體優(yōu)化,得到最優(yōu)化的5個不同的縱向和周向加強筋模式,在合理的加強筋板分布的條件下,力學性能提高了50%。上述研究說明了加強筋板能夠提高礦用救生艙殼體的承載性能。但是,通過改善加強筋板的結構形式,加強筋板材料的分布與應力流在殼體中的分布相適應方面,還缺乏研究,未能實現(xiàn)從提高材料利用率的角度來提高救生艙殼體的力學性能和承載能力。因此,使用有限元分析軟件ANSYS對現(xiàn)有救生艙殼體結構進行分析,得到其應力最大的部位,推斷出結構的危險界面。通過理論力學的分析,根據(jù)應力分布情況重新分配加強筋板的材料布置,在不增加材料用量的基礎上,提出曲線加強筋板;繼而建立三維模型,結合ANSYS對重新設計的救生艙殼體進行數(shù)值模擬分析和計算,驗證理論分析的正確性,得到性能良好的救生艙殼體結構尺寸。1問題描述1.1救生艙結構模型對救生艙的使用要求是,救生艙殼體在承受爆炸沖擊時必須具有足夠剛度來保證密封性,阻止高溫煙氣進入殼體內部;在承受坍塌重壓必須具有足夠的強度來保證支撐性能,保護殼體內部人員?？紤]到運輸和安裝問題,通常救生艙由過渡艙、生存頭艙、生存中艙、生存底艙、工具頭艙、工具中艙和工具底艙共7節(jié)殼體組成,殼體骨架模型如圖1所示。救援艙所用材料為普通低合金鋼,牌號為Q345R,密度為7.85×103kg/m3,屈服強度為350MPa,殼體結構采用焊接閉式殼體。殼體之間使用螺栓連接,并附有密封圈以保證救生艙的密封性。為了降低殼體質量和制造成本,救生艙外部設置加強筋板,代替單純依靠殼體母板厚度來保證整體結構的力學性能。在殼體母板厚度相同的情況下,加強筋板的強度和剛度決定了救生艙整體的強度和剛度。1.2載荷的均衡與抗載荷作用《煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設管理暫行規(guī)定》要求救生艙應具有足夠的強度和氣密性,殼體抗沖擊壓力不低于0.3MPa?？紤]實際工況的隨機性和復雜性,以及承受極端載荷的情況下,模擬實驗中的壓力值定為2MPa。傳統(tǒng)的加筋方式采用均勻布筋方式,如圖2所示,這種布筋方式采用規(guī)則的長方體筋板通過焊接,均勻分布在殼體母板上。從理論上,這種布筋方式使得加強筋板材料均勻分配,殼體各個部分的強度和剛度指標一致。但是,在實際的工況中,由于工況載荷形式的多變性,例如坍塌重物的恒定壓力、氣體或粉塵爆炸沖擊波,更有復雜工況下各種載荷的組合,以及應力在殼體材料內部傳遞的不均勻性,使得殼體在實際工況中受力不均勻。最大應力和最小應力之間存在很大差異,應力狀態(tài)失衡,導致殼體受力較小的部位在抵抗變形和破壞時存在很大的富余能力,而受力較大的部位則成為救生艙的最薄弱的環(huán)節(jié),甚至不足以抵抗工況載荷。以救生艙中間段的生活艙為例,對其頂面施加2MPa的恒定壓力,在ANSYS中進行分析,獲得的應力如圖3所示。最大應力部位在板殼的中間位置,最小應力部位在殼體周邊位置。其中,最大等效應力為566MPa,最小等效應力為7Pa。因此,在承受最小應力的部位,材料的性能沒有被充分利用,存在大量富余材料。而在承受最大應力的部位,材料性能不足以抵抗載荷作用。因此,有必要重新設計殼體加強筋結構,通過合理布置殼體材料分布來提高救生艙整體的力學性能。2加強筋板的物理模型由材料力學知,承受彎曲載荷桿件的最大彎矩發(fā)生在桿件中間位置;救生艙在工作時,承受的載荷通常為分布在殼體的外部面壓力,這些載荷可以簡單的分為瞬時沖擊和持續(xù)重壓,瞬時沖擊要求救生艙結構具有很好的剛度,持續(xù)重壓要求救生艙結構具有高強度。由圖3可知,帶有加強筋板的母板承受壓力時,最大應力發(fā)生在板面的中心位置。為簡化問題,將救生艙殼體分離成一塊母板和單個的加強筋板,建立抽象的物理模型,即每個加強筋板看作是一個牽連在殼體母板上的、承受彎曲載荷的桿件。從材料力學的角度,可以通過改變加強筋板的截面形狀或者材料的分布來提高加強筋板的抗彎截面系數(shù),從而提高整體結構的承載能力。對加強筋板的形狀進行重新設計,引入曲線加強筋板概念。將規(guī)則矩形加強筋板的材料重新布置,設計出一種適應材料內部應力流分布的曲線加強筋板,使加強筋板內部的材料單元最大限度的發(fā)揮自身的承載性能,從提高材料性能利用率的角度來提高整體結構的強度和剛度。根據(jù)板件受力特性進行結構設計,規(guī)則加強筋板長度為L,高度H,在長度方向上,將其長度等分為3段;在高度方向上,設定一個偏移量x;在每段上,由每段中點的偏移量和兩個端點確定一個圓弧,構成的3個圓弧形成了曲線加強筋板的外輪廓曲線。具體設計尺寸如圖4所示。當x=0時即為規(guī)則板。其中45°剖面線部分為去除材料的部分,135°剖面線部分為添加材料的部分。為確保試驗的合理性,依據(jù)單一變量原則,采用等截面設計方法,改善后的結構和原來結構的質量相等。設計后的加強筋板三維模型如圖5所示。3救生艙殼體結構分析及優(yōu)化為了驗證改善后的加強筋板在構成救生艙殼體后整體的承載性能,以及確定曲線加強筋板最優(yōu)尺寸數(shù)值,通過加載試驗,對改善后的結構進行數(shù)值模擬計算和安全性分析?？紤]兩種常見的突發(fā)狀況:(1)瓦斯等氣體爆炸產生的沖擊波;(2)煤炭坍塌產生的重壓?？紤]實際工況情況下受力的復雜性,進行數(shù)值模擬分析時,加載如下3種載荷方式:(1)側面載荷—殼體側面施加2MPa沖擊壓力;(2)頂面載荷—殼體頂部施加2MPa恒定壓力;(3)組合載荷—同時在殼體側面施加2MPa的沖擊壓力和在頂部施加2MPa的恒定壓力。3者采用同樣的約束方式,具體如下:(1)選取救援艙下部(圖6中的下表面)的4個節(jié)點,對其施加全位移約束;(2)選取救援艙兩個側面的所有節(jié)點,對其施加Z向位移約束。以施加側面沖擊載荷為例,詳細說明對救生艙殼體進行數(shù)值模擬分析的過程。以某公司生產的加強筋板高度H=120mm、厚度t=10mm的救生艙施加側面載荷為例,利用三維建模軟件Pro/E建立救生艙實體模型,如圖7所示。救生艙殼體結構主要是通過焊接連接和螺栓連接,確定假設條件中消除了焊接壓力,螺栓連接是可靠的,同時為了減少計算量、提高運算效率,取救生艙的生存中艙作為分析對象。建立ANSYS文件,設定分析作業(yè)名和標題;定義單元類型,選用10節(jié)點四面體實體結構單元;定義材料屬性,彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3。然后進行網格劃分、定義邊界條件、模擬工況條件施加載荷。選取救援艙側面,對其施加沖擊壓力,沖擊載荷選用三角波載荷,超壓峰值2MPa,壓力增大時間10ms,超壓作用時間500ms,進行求解。查看結果,得到殼體初始結構的應力如圖6所示,位移如圖8所示。采用同樣步驟對生存中艙施加頂面載荷和組合載荷得到應力云圖和位移云圖。然后,對x=H/6,x=H/4和x=H/3殼體結構進行分析。其中x=H/6的曲線加強筋板殼體結構受側面沖擊壓力時的效果如圖9和10所示。得到數(shù)值模擬分析后的試驗值見表1,其中,Fmax為最大應力;Fmin為最小應力;εmax為殼體最大變形量;εmin為殼體最小變形量。畫出4種結構在3種加載方式作用下的變形曲線和應力曲線,如圖11~13所示。由圖11可知,側面的沖擊壓力對殼體的變形量影響最大,其大小決定救生艙殼體的變形量;頂面的恒定壓力對殼體的變形量影響最小。3種工況載荷下,隨著偏移量x從0增加,變形量逐漸減小,偏移量x在20~30mm時變形量達到最小,然后再逐漸變大。其中偏移量x在20~30mm時,3種載荷狀態(tài)下殼體變形量相差不大,最大差值為1.21mm;當x=30mm時,相對于規(guī)則板,側面壓力引起的變形量減小17%,組合壓力變形量減小24%,頂面壓力變形量減小24%。由圖12可知,組合應力對救生艙殼體內部應力狀態(tài)有較大影響,決定了殼體的最大受力狀態(tài);在組合壓力下,x=0時殼體承受的最大等效應力最大,此時已超過材料的屈服強度,x=30mm時殼體承受最大等效應力最小,減小了57%。在頂面壓力和側面壓力載荷下,x=0時殼體承受最大等效應力最大,x=40mm時殼體承受最大等效應力最小,分別降低了44%和37%。綜合考慮3種載荷情況下,偏移量x在25~35mm時,各個工況載荷引起的最大等效應力值相差最小,此時殼體結構臨界危險狀態(tài)趨于一致,適應各種工況載荷,救生艙的整體安全性能比較可靠。由圖13可得,在3種工況載荷下,x=0時殼體承受的最小等效應力最大,x≥20mm時殼體承受的最小等效應力基本趨于一致。最小等效應力不影響殼體結構性能,在此僅作為參照數(shù)據(jù),反應了救生艙殼體材料內部的應力分布狀態(tài)。經過對圖11~13的分析得知,當加強筋板高度H=120mm時,偏移量x=30mm得到的救生艙殼體具有較好的力學性能。此時最大變形量減小24%,最大等效應力減小了57%。對3種尺寸型號的救生艙曲線筋板結構與原直線筋板結構進行數(shù)值仿真對比實驗,經過綜合考慮,得出合理結論:當加強筋板的高度確定時,偏移量為加強筋板高度的25%時,曲線加強筋板在各種工況載荷下最大變形量最小,最大等效應力狀態(tài)趨于一致,綜合力學性能達到最好的狀態(tài)。4曲線筋板的防護曲線加強筋板的突起部分導致加強筋板高度增加,對救生艙的平穩(wěn)安放帶來一定困難。該曲線結構對救生艙底座的布置有一定要求,底座需要依據(jù)救生艙殼體的結構形式,進行合理安排。對救生艙進行熱環(huán)境分析時,相對于規(guī)則加強筋板,曲線加強筋板結構的不同部位導熱能力不同,需要通過傳熱計算方法來分析救生艙的熱防護性能?？紤]使用等效的計算方法或者仿真軟件進行熱傳遞分析,防止形成熱橋?；诋斍暗纳a工藝,在加工曲線板時,采用氫氧焰切割機自動切割出弧線。曲線筋板的焊接方式和均勻布筋的焊接方式相同,不增加制造難度。另外針對筋板破壞的力學機制和變形特征,采用局部鋼材調制、關鍵點補強等針對性防治措施。同時,以曲線加強筋板為基礎,優(yōu)化加強筋板的間距和稀疏程度,