供稿|劉季冬, 王斌, 張坭, 漆立方/ LIU Ji-dong, WANG Bin, ZHANG Ni, QI Li-fang

用電腦測試礦井救生艙的抗爆性能

Testing Blast-Resistant Performance of Mine Rescue Capsule by Computer

供稿|劉季冬1, 王斌1, 張坭2, 漆立方2/ LIU Ji-dong1, WANG Bin1, ZHANG Ni2, QI Li-fang2

內(nèi)容導讀

依據(jù)KJYF-96/6型礦用可移動式救生艙艙體實際結(jié)構(gòu)尺寸建立了有限元分析模型，利用高壓源在巷道中產(chǎn)生的沖擊波流場，求得艙體在流場壓力 (作用在艙體前) 為0.192 MPa條件下，艙體迎爆面(所受最大沖擊波超壓為0.601 MPa)、各艙段兩側(cè)面、頂面及后端面不同位置處最大壓力載荷，以此載荷作用到艙體有限元分析模型，作用時間為300 ms，利用LS-DYNA模擬了KJYF-96/6型礦用可移動式救生艙艙體動態(tài)響應(yīng)過程。分析結(jié)果表明：考慮2倍安全系數(shù)，KJYF-96/6型礦用可移動式救生艙在沖擊波流場作用下，艙體迎爆面所受最大沖擊波超壓為0.3 MPa，作用時間300 ms時，可滿足剛度和強度要求，艙體能夠保持完整，結(jié)構(gòu)安全。

移動救生艙

艙體結(jié)構(gòu)

KJYF-96/6型礦用可移動式救生艙為分體組裝式，共有十一節(jié)艙段(包括過渡艙、生存艙和設(shè)備艙)。 救生艙主體結(jié)構(gòu)圖、外觀圖等如圖1～4。

其中基本艙段(生存艙)九節(jié)，每節(jié)尺寸(長×寬×高)：960 mm×1784 mm×1995 mm。另外兩節(jié)艙外形尺寸(長×寬×高)為：740 mm× 1784 mm×1995 mm和760 mm×1784 mm×1995 mm。艙段間采用高強度螺栓連接，艙體總尺寸(長×寬×高)：10637 mm×1784 mm×2105 mm。艙前段設(shè)有防護密閉門，尺寸為1200 mm×600 mm；艙后端中部設(shè)置有圓形逃生門，尺寸為f600 mm。在第三艙段一側(cè)中部設(shè)有觀察窗，采用f160 mm，厚20 mm的鋼化玻璃，通視直徑f120 mm。

艙體外殼板厚度為10 mm，艙體法蘭厚度為25 mm，每節(jié)艙段外殼板內(nèi)布置有兩圈環(huán)向加強筋，側(cè)面各布有四道橫筋、頂部布設(shè)三道橫筋、底部布設(shè)三道橫筋，均用60 mm×20 mm鋼板組成T型鋼進行加強。艙體所有材料均為Q345B鋼。

固定方式

救生艙各艙節(jié)兩側(cè)底部中心部位設(shè)有連接架，采用地腳螺栓把連接架與巷道澆注的混凝土基礎(chǔ)進行固定，防止艙體受爆炸沖擊時移動。

載荷分析

采用流場沖擊波載荷，迎爆面(前艙門端)沖擊載荷峰值超壓不小于0.6 MPa。

圖1 艙體外形圖

圖2 艙體加強筋結(jié)構(gòu)

圖3 艙前端面正面及背面結(jié)構(gòu)

圖4 艙后端面正面及背面結(jié)構(gòu)

計算機仿真

軟件

采用AUTODYN計算艙體所受流場載荷，使用LS-DYNA數(shù)值分析軟件進行救生艙艙體動態(tài)響應(yīng)過程數(shù)值分析。

模型

◆ 流場載荷

巷道模型采用半圓拱形，高2.6 m、寬3.2 m，為等截面直巷道，總長150 m。其中爆源段28 m、沖擊波傳播段100 m，救生艙及艙后長度22 m，單元尺寸不大于200 mm。救生艙放置于巷道水平幾何中心。

在救生艙前1 m的巷道中心處、艙體端部中心位置、每艙段側(cè)面及頂部不同位置，設(shè)置流場壓力和艙體所受壓力監(jiān)測點。

◆ 艙體模型

按艙體實際結(jié)構(gòu)尺寸進行建模，建模期間保留主體結(jié)構(gòu)特征，對細小部件做合理簡化。實體結(jié)構(gòu)如法蘭、鉸鏈、防爆玻璃、端板等采用實體單元，矩形管采用殼體單元，艙體計算網(wǎng)格模型見圖5～8。

圖5 艙體外形計算網(wǎng)格

圖6 艙內(nèi)加強筋計算網(wǎng)格

圖7 艙前端面正面及背面計算網(wǎng)格

圖8 艙后端面正面、背面計算網(wǎng)格

材料模型

螺栓及防爆玻璃采用彈性模型；筋、板采用彈塑性材料模型。不考慮焊接質(zhì)量及焊接對材料強度的影響，Q345B材料屈服強度為345 MPa，抗拉強度為470 MPa，鋼材密度為7800 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比為0.3。

艙體作用載荷及約束條件

艙體作用載荷采用直角三角波沖擊載荷、迎爆面(入口門端)沖擊載荷0.6 MPa，其他面(底面除外)0.3 MPa，作用時間300 ms。

約束條件：對救生艙兩側(cè)底部法蘭處單元進行約束，實現(xiàn)固定連接架對艙體的水平約束。同時，艙體底部滑撬底面單元限制垂直方向移動，模擬底面對艙體向下移動約束。

計算機仿真

艙體作用載荷

仿真計算得到的流場壓力(超壓)和艙體相應(yīng)部位所受最大壓力(超壓)時間歷程。流場壓力(作用到艙體前)為0.192 MPa，艙體迎爆面(前艙門端)所受最大沖擊波超壓0.601 MPa。

救生艙整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移

◆ 艙體應(yīng)力云圖

圖9所示艙體應(yīng)力云圖表明，艙體所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在艙體后部艙節(jié)支座與艙體連接部位(100 ms時刻)，最大值為359.3 MPa，未超過該材料的極限強度(470 MPa)，故艙體不會出現(xiàn)破裂。

◆ 艙體位移云圖

救生艙前后及兩側(cè)底部固定架部分單元進行約束，用以限制艙體底部水平移動；艙體底部滑撬底面單元進行約束用以限制垂直方向移動，模擬地面對艙體向下移動約束。因此，艙體上面節(jié)點位移即反映了艙體的變形，不同時刻艙體位移(單位：mm)如圖10所示。

圖9 100 ms時刻艙體應(yīng)力云圖

圖10 25 ms時刻艙體位移云圖

由不同時刻艙體位移云圖表明，艙體最大沖擊變形發(fā)生在后部艙節(jié)側(cè)面中心部位(見圖10)，變形值為9.81 mm，小于20 mm；其后加強筋為最大變形發(fā)生部位(見圖11)，變形值為9.76 mm，小于15 mm，故滿足剛度要求。

重點部位

◆ 前端面及入口艙門

由入口艙門及門框應(yīng)力云圖12可知，其所受最大應(yīng)力為214.0 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在門框側(cè)部外側(cè)中心部位，處于材料的屈服強度內(nèi)。

◆ 后端面及艙體逃生門

由逃生門應(yīng)力云圖可知：其所受最大應(yīng)力為181.6 MPa，出現(xiàn)在逃生門銷子與門框壓合部位，未超過材料的屈服強度。該時刻逃生門及門框所受應(yīng)力(單位：MPa)云圖見圖13。

◆ 艙頂入口門

由艙頂入口門處應(yīng)力云圖可知：艙頂入口門所受應(yīng)力未超過材料的屈服強度。

圖11 300 ms時刻艙體位移云圖

圖12 入口艙門及門框所受最大應(yīng)力時刻應(yīng)力云圖

圖13 后端面、逃生門所受最大應(yīng)力時刻應(yīng)力云圖

艙體安全

由應(yīng)力云圖可知，艙體所受最大應(yīng)力為368.676 MPa，大于材料的屈服強度345 MPa，小于材料的極限強度470 MPa，故艙體無失效部位，艙體安全。

結(jié)束語

艙體最大沖擊變形發(fā)生在后部艙節(jié)側(cè)面中心部位，最大沖擊變形值為9.81 mm，小于20 mm；加強筋上最大變形值為9.76 mm，小于15 mm；沖擊過程中艙體所受最大應(yīng)力值為359.3 MPa，小于材料的極限強度470 MPa。由此，艙體不會出現(xiàn)破壞部位；艙體前艙門、逃生門所受最大應(yīng)力分別為214.0和181.6 MPa，均小于所用材料的屈服強度345 MPa，前艙門、逃生門不會發(fā)生塑性變形。

綜上所述，計算機仿真結(jié)果表明：考慮2倍安全系數(shù)，KJYF-96/6型礦用可移動式救生艙在沖擊波流場作用下，艙體迎爆面(前艙門端面)所受最大沖擊波超壓為0.3 MPa、作用時間300 ms時，救生艙滿足剛度和強度要求，艙體能夠保持完整，結(jié)構(gòu)安全。

[1] 龔曉燕. 礦用可移動式救生艙結(jié)構(gòu)抗爆強度的數(shù)值模擬分析及優(yōu)化. 礦山機械，2012(7)：120-123.

[2] 樊小濤. 礦用救生艙抗爆性能試驗研究. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2010(3)：25-26.

[3] 汪選要. 礦用救生艙的彈塑性有限元分析. 礦山機械，2012 (7)：113-116.

[4] 龔曉燕. 新型救生艙艙體設(shè)計與數(shù)值模擬分析優(yōu)化. 煤礦機械，2013(7)：68-70.

■ 攝影 王耀東 北京交通大學

1. 湖南工貿(mào)技師學院，株洲 412000；2. 萍鄉(xiāng)安泰爾礦業(yè)科技有限公司，萍鄉(xiāng) 337000

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.17