供稿|劉季冬，明瑞，李灣，凌增光，明興祖,4

內(nèi)容導(dǎo)讀

礦用防爆耐壓密閉門(mén)(簡(jiǎn)稱(chēng)防爆門(mén))是礦井作業(yè)規(guī)避事故的重要安全裝備。本文根據(jù)防爆門(mén)的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)模型建立了有限元仿真分析模型，采用顯式非線(xiàn)性動(dòng)力分析方法在三角形沖擊波波峰壓力0.6，1.0 MPa作用下仿真分析了防爆門(mén)整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變、位移等抗爆性能響應(yīng)。仿真分析表明：防爆門(mén)的聯(lián)接零件間無(wú)塑性變形；門(mén)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大應(yīng)力為339.3 MPa，最大變形量為3.461 mm；抗沖擊強(qiáng)度足夠；沒(méi)有產(chǎn)生局部斷裂、裂縫等破壞形式；防爆門(mén)的各零件的聯(lián)接位置的位移變化小于1 mm；門(mén)體的密封性能良好；符合防爆門(mén)的剛度需求。防爆門(mén)的結(jié)構(gòu)仿真模型和數(shù)值分析為提高煤礦井下防爆門(mén)的抗爆性能提供了理論指導(dǎo)。

煤礦井下作業(yè)經(jīng)常發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸，產(chǎn)生大量一氧化碳等有毒氣體，直接造成安全事故[1]。礦用防爆耐壓密閉門(mén)(簡(jiǎn)稱(chēng)防爆門(mén))是規(guī)避事故的重要安全裝備，其抗爆性能已成為煤礦井下生產(chǎn)裝備的研究熱點(diǎn)之一，對(duì)提升我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)保障水平等具有重要意義[2]。

在抗爆性能研究方面，Katherine A[3]提出了一種分析救生艙的抗爆性能的數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)將爆炸的動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化為靜載荷的方式，均勻加載到救生艙的艙體上，并進(jìn)行艙體結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究。Houf W G等[4]深入研究了瓦斯爆炸后艙體的變形情況，揭示了在瓦斯沖擊波作用下艙體的變形規(guī)律。劉建英等[5]將泡沫鋁夾芯板材料作為艙門(mén)，通過(guò)加強(qiáng)筋的固定作用強(qiáng)化艙體，通過(guò)數(shù)值計(jì)算了移動(dòng)式救生艙的強(qiáng)度要求與安全系數(shù)。宋勝偉等[6]采用ANSYS仿真軟件模擬艙體內(nèi)的自動(dòng)隔離門(mén)不同外界環(huán)境下的應(yīng)力應(yīng)變情況。吳廣明等[7]通過(guò)LS-DYNA有限元軟件仿真研究了艙室內(nèi)在爆載荷作用下鋪設(shè)凱夫拉防護(hù)材料發(fā)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，建立了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有限元模型及艦艇艙室結(jié)構(gòu)模型。王文娟等[8]在有限元方法的基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的方式系統(tǒng)研究了煤礦的避難硐室中的密閉門(mén)在爆炸載荷作用下的受力及變形情況。

本文針對(duì)防爆門(mén)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)模型，采用顯式非線(xiàn)性動(dòng)力分析方法，通過(guò)建立有限元仿真模型，數(shù)值分析防爆門(mén)抗爆性能響應(yīng)。

防爆門(mén)的設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)模型

在實(shí)際應(yīng)用中，防爆門(mén)采用一種整體式的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，門(mén)體為密閉式，防爆門(mén)的門(mén)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。防爆門(mén)的門(mén)體為矩形結(jié)構(gòu)，寬1120 mm，高2120 mm；防爆門(mén)的鉸鏈聯(lián)接板是門(mén)體的聯(lián)接零件，長(zhǎng)60 mm，厚225 mm；防爆門(mén)的門(mén)扇厚約200 mm，并且門(mén)扇的邊緣安裝有耐高溫的密封條；防爆門(mén)門(mén)體的內(nèi)腔尺寸約為1000 mm×2000 mm，防爆門(mén)門(mén)體的內(nèi)腔四角具有圓形外觀(guān)；加強(qiáng)筋是防爆門(mén)上關(guān)鍵的固定件，排布在門(mén)體的門(mén)扇內(nèi)腔中。防爆門(mén)的主要聯(lián)接材料是Q345鋼，門(mén)體結(jié)構(gòu)主要由Q345鋼的扁條焊接而成，門(mén)體中間及門(mén)框均采用Q345鋼的扁條聯(lián)接。

圖1 防爆門(mén)的整體式結(jié)構(gòu)(單位，mm)

防爆門(mén)主要零件的材料均采用Q345鋼，如鉸鏈、加強(qiáng)筋、大齒輪、手輪結(jié)構(gòu)、蓋板結(jié)構(gòu)、門(mén)板焊件等零件；防爆門(mén)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用Q235鋼來(lái)保證部件的剛性及穩(wěn)定性；門(mén)體中的把手結(jié)構(gòu)采用ZG45；門(mén)體中主要零件的聯(lián)接部件，如螺母、螺栓、銷(xiāo)釘、墊片、鋼蓋、螺母等均使用材料304不銹鋼；通過(guò)鉚釘鉚接304不銹鋼表面拉絲板作為外觀(guān)門(mén)板；防爆門(mén)的觀(guān)察結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度的防爆抗壓玻璃；防火材料為MT113隔離抗靜電的膠條材料。建立防爆門(mén)的三維模型如圖2所示。在防爆門(mén)實(shí)際加工過(guò)程中，通過(guò)門(mén)栓將門(mén)框固定起來(lái)，門(mén)框通過(guò)鉸鏈來(lái)聯(lián)接，因此在數(shù)值仿真中將防爆門(mén)設(shè)定為固定約束[9]。

防爆門(mén)需要擁有一定的抗爆壓力才能滿(mǎn)足防護(hù)需求，至少能夠承受0.6 MPa的壓力，并且能夠承受瓦斯爆炸產(chǎn)生的三角沖擊波壓力300 ms，其中防爆門(mén)的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部位承受的最大三角形沖擊波壓力為1 MPa。

圖2 防爆門(mén)結(jié)構(gòu)模型

有限元仿真分析模型

防爆門(mén)的數(shù)值仿真分析主要考慮爆炸沖擊波作用的外界條件引起門(mén)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力破壞及應(yīng)變變形。防爆門(mén)門(mén)體的位移變形是非線(xiàn)性變化的，因此在數(shù)值仿真中采用ANSYS軟件中的顯式非線(xiàn)性動(dòng)力模塊——LS-DYNA分析模塊來(lái)進(jìn)行分析，研究防爆門(mén)在爆炸環(huán)境下的變形情況及抗爆性能。

仿真模型

單元類(lèi)型的選擇

為了提高防爆門(mén)抗爆性能的模擬準(zhǔn)確性與理論計(jì)算求解的正確性，需要根據(jù)防爆門(mén)的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，對(duì)防爆門(mén)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的同時(shí)，需要合理簡(jiǎn)化門(mén)體的一些部件，便于研究防爆門(mén)在爆炸沖擊波下的形變情況，這便需要對(duì)仿真的單元類(lèi)型進(jìn)行合理選擇[11]?？紤]到防爆門(mén)的結(jié)構(gòu)及計(jì)算需求，在A(yíng)NSYS軟件的模塊程序LS-DYNA中，選擇實(shí)體單元與彈簧阻尼單元作為仿真單元類(lèi)型。在單元類(lèi)型的選擇中，主要針對(duì)防爆門(mén)的門(mén)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真處理，采用軟件中的SOLID 164實(shí)體單元對(duì)門(mén)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的網(wǎng)格劃分，采用軟件中的COMBI 165彈簧阻尼單元對(duì)門(mén)體的銷(xiāo)釘、螺栓等聯(lián)接處進(jìn)行局部的網(wǎng)格劃分。

仿真網(wǎng)格劃分

防爆門(mén)門(mén)體的結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，需要對(duì)不同的表征參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)值仿真也需要更精細(xì)的參數(shù)設(shè)置，本次仿真的網(wǎng)格劃分參數(shù)如下：門(mén)體的劃分的最大單元為25 mm，門(mén)體上零件聯(lián)接處的細(xì)節(jié)部分劃分的最大單元為15 mm，其比例系數(shù)設(shè)定為默認(rèn)的參數(shù)1。設(shè)置好仿真參數(shù)后，對(duì)門(mén)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的單元共135766個(gè)，如圖3所示。

圖3 防爆門(mén)數(shù)值仿真的網(wǎng)格劃分示意圖

材料關(guān)系模型與特性參數(shù)

防爆門(mén)在沖擊波作用下會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形。對(duì)防爆門(mén)材料而言，重點(diǎn)是考慮與穩(wěn)定有關(guān)的彈塑性本構(gòu)模型及材料的應(yīng)變率，有限元分析時(shí)選用LSDYNA中材料模型Johnson-Cook[12]。

根據(jù)防爆門(mén)設(shè)計(jì)中各零部件的材料選擇，防爆門(mén)的主要材料為Q345鋼、Q235鋼、ZG45鋼等，材料的特征參數(shù)如表1所示。

表1 防爆門(mén)各零部件材料特性參數(shù)

仿真的邊界條件及初始條件

防爆門(mén)的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，不存在相對(duì)松動(dòng)的零部件，設(shè)定防爆門(mén)的初始條件下穩(wěn)定可靠。門(mén)體各結(jié)構(gòu)中沒(méi)有焊接應(yīng)力存在，焊接部位對(duì)門(mén)體結(jié)構(gòu)無(wú)影響；防爆門(mén)各零件間沒(méi)有安裝變形，螺栓等聯(lián)接件的預(yù)應(yīng)力不影響門(mén)體結(jié)構(gòu)特征。

邊界條件

設(shè)定防爆門(mén)在承受爆炸條件下的沖擊波時(shí)，沖擊波的沖擊壓力直接作用于迎爆面上，門(mén)框上的鉸鏈及其他零部件沒(méi)有過(guò)定義接觸情況的發(fā)生，在模擬條件下，設(shè)定門(mén)栓、門(mén)框固定，門(mén)框邊界無(wú)其他壓力作用效果，防爆門(mén)可以簡(jiǎn)化成固定約束，在仿真模擬條件下，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)防爆門(mén)的邊界施加固定約束。

初始條件

通過(guò)防爆門(mén)的結(jié)構(gòu)模型可知，門(mén)體的整體結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊波后，防爆門(mén)接觸沖擊波的外邊界區(qū)域發(fā)生了彈塑性變形，變形的區(qū)域相對(duì)防爆門(mén)的整體結(jié)構(gòu)幅度非常小，對(duì)網(wǎng)格劃分的精度無(wú)明顯影響。數(shù)值仿真選擇拉格朗日算法，該方法能夠直觀(guān)處理物質(zhì)界面并能精確描述材料邊界與物質(zhì)之間的相互關(guān)系[13]。

防爆門(mén)在爆炸環(huán)境的作用下可能會(huì)受到?jīng)_擊波的直接破壞，為了減小誤差，在數(shù)值仿真中將防爆門(mén)的正面作為迎爆面，并將峰值沖擊波加載到迎爆面上，考慮到爆炸環(huán)境的安全系數(shù)及誤差，本次仿真爆炸沖擊波的最小峰值壓力為0.6 MPa，數(shù)值計(jì)算中將沖擊波的最大峰值壓力為1.0 MPa，沖擊波壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 防爆門(mén)所受沖擊波壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

防爆門(mén)整體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

當(dāng)爆炸沖擊波作用在門(mén)體結(jié)構(gòu)上時(shí)，設(shè)定門(mén)體結(jié)構(gòu)所受的沖擊壓力持續(xù)300 ms，防爆門(mén)的壓力峰值為0.6, 1 MPa，仿真中的計(jì)算時(shí)間為400 ms。通過(guò)ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，通過(guò)數(shù)值仿真分析防爆門(mén)結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力、應(yīng)變情況，由仿真圖中的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D體現(xiàn)。為了保證防爆門(mén)良好的剛性結(jié)構(gòu)，梁柱的最大變形量不能超過(guò)10 mm，即所受應(yīng)力小于屈服應(yīng)力。為防止密封失效，有密封要求的聯(lián)接件相對(duì)位移應(yīng)小于1 mm。

防爆門(mén)整體應(yīng)力分析

根據(jù)防爆門(mén)整體網(wǎng)格劃分，仿真計(jì)算后提取應(yīng)力結(jié)果，如圖5所示。當(dāng)迎爆面的峰值壓力達(dá)到0.6,1 MPa時(shí)，防爆門(mén)受到的應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在門(mén)體的各聯(lián)接位置，計(jì)算時(shí)間為350 ms時(shí)，迎爆面所受的沖擊壓力達(dá)到了339.3 MPa?？梢?jiàn)，在沖擊波持續(xù)300 ms的時(shí)間內(nèi)，門(mén)體結(jié)構(gòu)承受了兩種載荷與沖擊波的壓力。從圖中可知，門(mén)體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限，符合材料的強(qiáng)度需求。

等效塑性應(yīng)變分析

防爆門(mén)門(mén)體在兩種外界載荷的作用下，門(mén)體加強(qiáng)筋部分第38332單元及第150343單元應(yīng)力達(dá)到了最大值，應(yīng)力的變化曲線(xiàn)如圖6所示。

塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)在最后時(shí)刻，提取該時(shí)刻在波峰為0.6, 1.0 MPa兩種載荷下塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示，防爆門(mén)門(mén)體整體未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。

門(mén)體位移情況分析

防爆門(mén)的門(mén)體位移形變情況如圖8所示，當(dāng)門(mén)體在0.6, 1 MPa載荷的作用下，位移形變的峰值出現(xiàn)在防爆門(mén)的中間區(qū)域位置，位移變形量峰值分別達(dá)到1.706, 3.461 mm。可見(jiàn)，防爆門(mén)在承受波峰為0.6, 1.0 MPa，持續(xù)300 ms三角形沖擊波時(shí)，防爆門(mén)的門(mén)體的最大位移變形量不超過(guò)10 mm。對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，防爆門(mén)各零件無(wú)裂縫及破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，符合防爆門(mén)的剛性要求，能夠保證防爆門(mén)安全的防護(hù)性能。

由防爆門(mén)整體位移場(chǎng)分析可知，防爆門(mén)的位移變形量最大時(shí)刻門(mén)體最大位移值在第13588、第23769兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處取得，分別提取兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)即δ-t曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖5 防爆門(mén)整體應(yīng)力場(chǎng)

防爆門(mén)門(mén)板聯(lián)接處的密封位置設(shè)置有3 mm厚的密封條，當(dāng)防爆門(mén)在作用時(shí)間300 ms內(nèi)所受的沖擊壓力峰值為0.6 MPa時(shí)，防爆門(mén)顯著點(diǎn)的位移變化如圖10所示。可以看出，防爆門(mén)上的聯(lián)接零部件的最大位移變化數(shù)值為0.02 mm，出現(xiàn)在防爆門(mén)側(cè)方中部的聯(lián)接位置處。防爆門(mén)門(mén)板聯(lián)接處的密封位置最大位移未超出1 mm，因此不會(huì)發(fā)生密封失效。

圖6 防爆門(mén)應(yīng)力達(dá)到最大值單元σ-t曲線(xiàn)

圖7 門(mén)體結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變場(chǎng)變化

圖8 防爆門(mén)整體位移場(chǎng)

當(dāng)防爆門(mén)門(mén)體在300 ms的作用時(shí)間內(nèi)所承受的沖擊壓力峰值為1.0 MPa，提取門(mén)體各聯(lián)接零部件顯著點(diǎn)的相對(duì)位移數(shù)據(jù)(絕對(duì)值)如表2所示。聯(lián)接件的相對(duì)位移最大值為0.004 mm出現(xiàn)在防爆門(mén)頂邊中間位置的聯(lián)接處，未超出1 mm，因此也不會(huì)發(fā)生密封失效。

防爆門(mén)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

防爆門(mén)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在0.6, 1.0 MPa兩種波峰載荷下，防爆門(mén)門(mén)體所受的最大應(yīng)力發(fā)生在門(mén)體中間加強(qiáng)筋聯(lián)接區(qū)域。當(dāng)沖擊壓力持續(xù)時(shí)間達(dá)到70 ms時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到169.6 MPa；持續(xù)時(shí)間達(dá)到210 ms時(shí)的最大應(yīng)力為339.3 MPa?？梢?jiàn)防爆門(mén)在承受兩種載荷持續(xù)300 ms的三角形沖擊波壓力下，應(yīng)力未超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

防爆門(mén)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移分析

在0.6, 1.0 MPa兩種波峰載荷下，防爆門(mén)腔內(nèi)零部件的結(jié)構(gòu)位移形變?nèi)鐖D11所示，門(mén)體腔內(nèi)零件結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域位置的位移變化達(dá)到了最大值。作用時(shí)間在70 ms時(shí)，位移變化達(dá)到了1.706 mm，作用時(shí)間在210 ms時(shí)，位移變化達(dá)到了3.461 mm。從圖中可知，當(dāng)波峰載荷為0.6 MPa時(shí)，防爆門(mén)腔內(nèi)零件結(jié)構(gòu)的位移變形范圍在0～1.706 mm；當(dāng)波峰載荷為1 MPa時(shí)，防爆門(mén)腔內(nèi)零件結(jié)構(gòu)的位移變形范圍在0～3.461 mm，門(mén)體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移變化小于10 mm，沒(méi)有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，符合材料的強(qiáng)度需求。當(dāng)爆炸沖擊壓力作用在防爆門(mén)的門(mén)體結(jié)構(gòu)上時(shí)，門(mén)體的位移變形極小，門(mén)體的密封性能不受其影響，不影響防爆門(mén)安全的使用性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞失效，滿(mǎn)足所需的剛度要求。

防爆門(mén)抗爆性能數(shù)值分析結(jié)果

防爆門(mén)在抗爆沖擊波最大超壓峰值為0.6, 1.0 MPa載荷下，數(shù)值仿真分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

圖9 防爆門(mén)整體位移達(dá)到最大值的節(jié)點(diǎn)位置δ-t曲線(xiàn)

根據(jù)表3，沖擊波波峰壓力為0.6 MPa防爆門(mén)整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的最大值為169.6 MPa，對(duì)應(yīng)的位移變形量的最大值為1.706 mm，門(mén)體結(jié)構(gòu)腔內(nèi)聯(lián)接區(qū)域最大變化位移發(fā)生在門(mén)體側(cè)邊中間位置，最大變化位移為0.002 mm；沖擊波波峰壓力為1 MPa下防爆門(mén)整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的最大值為339.3 MPa，對(duì)應(yīng)的位移變形量的最大值為3.461 mm，門(mén)體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)聯(lián)接部件的最大變化位移發(fā)生在加強(qiáng)筋與門(mén)板的聯(lián)接處，最大變化位移為0.004 mm。

圖10 沖擊壓力峰值為0.6 MPa防爆門(mén)顯著點(diǎn)的位移變化

結(jié)束語(yǔ)

利用顯式非線(xiàn)性動(dòng)力分析方法，通過(guò)仿真分析得出：防爆門(mén)的整體結(jié)構(gòu)與腔內(nèi)結(jié)構(gòu)所承受的沖擊壓力在材料的屈服強(qiáng)度之內(nèi)，符合材料的抗壓性能的要求；門(mén)體門(mén)板及加強(qiáng)筋零部件沒(méi)有出現(xiàn)塑性變形等情況，最大位移變形量不超過(guò)10 mm，沒(méi)有出現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)失效、斷裂等破壞形式，符合防爆材料的剛度要求；防爆門(mén)中各零部件的相對(duì)位移變化小于1 mm，說(shuō)明防爆門(mén)的密閉性能較好；防爆門(mén)無(wú)失效零部件，能夠保持完整，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度達(dá)到安全要求。在煤礦井下實(shí)際應(yīng)用中防爆門(mén)抗爆性能良好，說(shuō)明防爆門(mén)結(jié)構(gòu)模型和仿真數(shù)值分析有效可靠。

表2 沖擊壓力波峰為1.0 MPa防爆門(mén)聯(lián)接零部件顯著點(diǎn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)表

圖11 防爆門(mén)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)

表3 防爆門(mén)數(shù)值分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果