劉熠宇 滕子健

摘要:為減小地震災(zāi)害對(duì)人類造成的生命威脅,提高人類地震中的存活率,本文從設(shè)想出發(fā),簡(jiǎn)述了抗震救生艙的設(shè)計(jì)思路,并利用solidworks建立實(shí)體模型,結(jié)合有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)位移、靜態(tài)節(jié)應(yīng)力的分析,并通過對(duì)材料的力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算,最終證實(shí)該設(shè)計(jì)的可使用性。

關(guān)鍵詞:地震救生艙力學(xué)solidworks有限元分析

中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)04(c)-0110-01

本文參考近年來幾次大地震中人們的主要傷害來源,發(fā)現(xiàn)發(fā)生整體坍塌的房屋多為老式磚瓦房、磚木房,新式商品樓房的傷害多為震后二次災(zāi)害。通過各方查取資料,完全可以設(shè)計(jì)一種適合個(gè)人使用的小型抗震救生艙。該艙體可以實(shí)現(xiàn)如下功能:(1)完全隔離地震中從高空掉落的物品(管道、樓層裝飾物)。(2)避免因地震發(fā)生的火、電、有毒氣體的威脅。(3)提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境,并較長(zhǎng)時(shí)間的維持該狀態(tài),給救援工作提供足夠的時(shí)間。

1模型設(shè)想

1.1 模型一

該設(shè)計(jì)模型為多層剛性殼體(材質(zhì)為合金鋼,楊氏模量:210GPa,屈服強(qiáng)度:0.62GPa),層與層之間不設(shè)任何接觸物,每層之間有一定的空腔,類似于暖水瓶的雙層內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)。

預(yù)期作用:當(dāng)受到外界的碰撞時(shí),殼狀結(jié)構(gòu)可以將沖擊力分散于整個(gè)表面,而當(dāng)沖擊力過大導(dǎo)致外層被破壞時(shí),其下層的殼體仍可繼續(xù)分散沖擊力,通過層層的分散,來保證最內(nèi)艙體的穩(wěn)固性。

缺點(diǎn):體積可能較大,不利于放置;做工復(fù)雜,成本較高,不能被大眾接受。

1.2 模型二

雙層剛性外殼(材質(zhì)為合金鋼,楊氏模量:210GPa,屈服強(qiáng)度:0.62GPa),層間設(shè)緩沖物(彈簧、塑膠……),內(nèi)層增加塑膠保護(hù)層。殼體結(jié)構(gòu)與模型一類似,但采用兩層結(jié)構(gòu),同時(shí)在兩腔體間填充緩沖物,并在最內(nèi)層增設(shè)塑膠保護(hù)層。

模型優(yōu)點(diǎn):當(dāng)遭受撞擊時(shí),外層殼體受到的沖擊力時(shí),能將該力分散到整體的外部結(jié)構(gòu)上,以此降低變形程度。當(dāng)沖擊力過大時(shí),兩殼體間層的緩沖填充物能對(duì)沖擊力進(jìn)行第一次緩沖,降低沖擊力對(duì)第二層殼體的破壞,同時(shí)第二層又可以分散沖擊力,由此提高了模型的抗壓能力。在內(nèi)層增設(shè)塑膠保護(hù)層,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行第二次緩沖,降低強(qiáng)沖擊對(duì)內(nèi)部生命的殺傷力,又增加了內(nèi)部的舒適度。

2模型與有限元分析

2.1 對(duì)殼體的限元分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型是否具有使用價(jià)值,簡(jiǎn)化分析方法,我們對(duì)綜合模型的外壁,進(jìn)行有限元分析。

2.2 靜態(tài)位移分析

利用合位移法對(duì)殼體進(jìn)行靜態(tài)位移分析,模擬時(shí)的外加力為2000kN,該力均勻的作用于殼體的外表面。最大變形量為1.152e-001mm,最小變形量為0mm。變形量越小,剛度性能越好,由數(shù)據(jù)及其具體分布情況如圖1所示,變形比為表明,整個(gè)模型的頂部、底部的剛性最好,整體模型的中部靜態(tài)位移量最大,但因變形量達(dá)到微米級(jí)別,故也具有很強(qiáng)的剛度性能。

2.3 靜態(tài)節(jié)應(yīng)力分析

利用von Mises應(yīng)力法分別對(duì)殼體進(jìn)行靜態(tài)節(jié)應(yīng)力分析,模擬時(shí)的外加力也為2000kN,作用方式同上,相當(dāng)于1cm2上壓有500kg的重物。殼體所受的最大應(yīng)力為64.5MPa,最小應(yīng)力為0.002MPa,具體區(qū)域分布見圖2(變形比為1122.2)。已知合金鋼的屈服極限為0.62GPa,取安全系數(shù)為n=2.5,許用應(yīng)力。,。由此可知,該模型具有很高的強(qiáng)度和抗壓能力。

2.4 結(jié)論

由數(shù)據(jù)可知,單層殼狀剛體以具備很強(qiáng)的抗壓、抗變形能力。我們采用的綜合模型使用的是雙層殼狀剛體,同時(shí)設(shè)有兩層緩沖層,這又大大提高了救生艙的力學(xué)性能,證明了該設(shè)計(jì)具有很好的使用性能。

3抗震救生艙的實(shí)用價(jià)值評(píng)估

本文從設(shè)想開始,考慮實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)等問題,將模型一和模型二結(jié)合得到一綜合模型。又利用solidworks建出簡(jiǎn)易模型,并對(duì)綜合模型進(jìn)行有限元分析。由相關(guān)數(shù)據(jù)知,該模型具備良好的抗壓、抗變形能力。