矿用救生舱加强筋板设计

矿用救生舱加强筋板设计

救生舱是该煤矿应急系统的核心。它的主要功能是为受影响矿山的矿山提供安全的关闭空间，以确保不受外部爆炸、坍塌、煤气源等灾变环境的影响。救生舱在使用过程中,首先要防止外部一氧化碳等有毒有害气体进入舱内,造成舱内避险人员伤亡;其次,要控制救生舱承受载荷后的变形量,防止壳体的过大变形导致避险人员无法进入。在救生舱壳体结构的研究方面,文献提出了救生舱抵抗的最大冲击压力等技术指标,验证了壳体强度的边界条件;文献采用加强筋板组合截面的弯曲刚度与矩形截面弯曲刚度的比值,来衡量结构承载能力;文献基于对壳体结构抗暴强度的数值模拟计算,提出在壳体法兰两两连接区域,各补焊一对加强板来提高壳体的抗爆性能;文献提出在救生舱壳体外部增加加强圈,来改善长方体壳体的抗压性能。文献提出在救生舱壳体内部采用T型截面的加强筋板代替I型筋板,通过提高抗弯截面系数来增强加强肋的抗弯能力。文献在冲击载荷作用下对壳体的动态响应进行数值模拟分析,证明了加强筋板对减小救生舱表面位移、提高抗冲击能力起到主要作用。文献用序列线性规划方法对救生舱壳体优化,得到最优化的5个不同的纵向和周向加强筋模式,在合理的加强筋板分布的条件下,力学性能提高了50%。上述研究说明了加强筋板能够提高矿用救生舱壳体的承载性能。但是,通过改善加强筋板的结构形式,加强筋板材料的分布与应力流在壳体中的分布相适应方面,还缺乏研究,未能实现从提高材料利用率的角度来提高救生舱壳体的力学性能和承载能力。因此,使用有限元分析软件ANSYS对现有救生舱壳体结构进行分析,得到其应力最大的部位,推断出结构的危险界面。通过理论力学的分析,根据应力分布情况重新分配加强筋板的材料布置,在不增加材料用量的基础上,提出曲线加强筋板;继而建立三维模型,结合ANSYS对重新设计的救生舱壳体进行数值模拟分析和计算,验证理论分析的正确性,得到性能良好的救生舱壳体结构尺寸。1问题描述1.1救生舱结构模型对救生舱的使用要求是,救生舱壳体在承受爆炸冲击时必须具有足够刚度来保证密封性,阻止高温烟气进入壳体内部;在承受坍塌重压必须具有足够的强度来保证支撑性能,保护壳体内部人员。考虑到运输和安装问题,通常救生舱由过渡舱、生存头舱、生存中舱、生存底舱、工具头舱、工具中舱和工具底舱共7节壳体组成,壳体骨架模型如图1所示。救援舱所用材料为普通低合金钢,牌号为Q345R,密度为7.85×103kg/m3,屈服强度为350MPa,壳体结构采用焊接闭式壳体。壳体之间使用螺栓连接,并附有密封圈以保证救生舱的密封性。为了降低壳体质量和制造成本,救生舱外部设置加强筋板,代替单纯依靠壳体母板厚度来保证整体结构的力学性能。在壳体母板厚度相同的情况下,加强筋板的强度和刚度决定了救生舱整体的强度和刚度。1.2载荷的均衡与抗载荷作用《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》要求救生舱应具有足够的强度和气密性,壳体抗冲击压力不低于0.3MPa。考虑实际工况的随机性和复杂性,以及承受极端载荷的情况下,模拟实验中的压力值定为2MPa。传统的加筋方式采用均匀布筋方式,如图2所示,这种布筋方式采用规则的长方体筋板通过焊接,均匀分布在壳体母板上。从理论上,这种布筋方式使得加强筋板材料均匀分配,壳体各个部分的强度和刚度指标一致。但是,在实际的工况中,由于工况载荷形式的多变性,例如坍塌重物的恒定压力、气体或粉尘爆炸冲击波,更有复杂工况下各种载荷的组合,以及应力在壳体材料内部传递的不均匀性,使得壳体在实际工况中受力不均匀。最大应力和最小应力之间存在很大差异,应力状态失衡,导致壳体受力较小的部位在抵抗变形和破坏时存在很大的富余能力,而受力较大的部位则成为救生舱的最薄弱的环节,甚至不足以抵抗工况载荷。以救生舱中间段的生活舱为例,对其顶面施加2MPa的恒定压力,在ANSYS中进行分析,获得的应力如图3所示。最大应力部位在板壳的中间位置,最小应力部位在壳体周边位置。其中,最大等效应力为566MPa,最小等效应力为7Pa。因此,在承受最小应力的部位,材料的性能没有被充分利用,存在大量富余材料。而在承受最大应力的部位,材料性能不足以抵抗载荷作用。因此,有必要重新设计壳体加强筋结构,通过合理布置壳体材料分布来提高救生舱整体的力学性能。2加强筋板的物理模型由材料力学知,承受弯曲载荷杆件的最大弯矩发生在杆件中间位置;救生舱在工作时,承受的载荷通常为分布在壳体的外部面压力,这些载荷可以简单的分为瞬时冲击和持续重压,瞬时冲击要求救生舱结构具有很好的刚度,持续重压要求救生舱结构具有高强度。由图3可知,带有加强筋板的母板承受压力时,最大应力发生在板面的中心位置。为简化问题,将救生舱壳体分离成一块母板和单个的加强筋板,建立抽象的物理模型,即每个加强筋板看作是一个牵连在壳体母板上的、承受弯曲载荷的杆件。从材料力学的角度,可以通过改变加强筋板的截面形状或者材料的分布来提高加强筋板的抗弯截面系数,从而提高整体结构的承载能力。对加强筋板的形状进行重新设计,引入曲线加强筋板概念。将规则矩形加强筋板的材料重新布置,设计出一种适应材料内部应力流分布的曲线加强筋板,使加强筋板内部的材料单元最大限度的发挥自身的承载性能,从提高材料性能利用率的角度来提高整体结构的强度和刚度。根据板件受力特性进行结构设计,规则加强筋板长度为L,高度H,在长度方向上,将其长度等分为3段;在高度方向上,设定一个偏移量x;在每段上,由每段中点的偏移量和两个端点确定一个圆弧,构成的3个圆弧形成了曲线加强筋板的外轮廓曲线。具体设计尺寸如图4所示。当x=0时即为规则板。其中45°剖面线部分为去除材料的部分,135°剖面线部分为添加材料的部分。为确保试验的合理性,依据单一变量原则,采用等截面设计方法,改善后的结构和原来结构的质量相等。设计后的加强筋板三维模型如图5所示。3救生舱壳体结构分析及优化为了验证改善后的加强筋板在构成救生舱壳体后整体的承载性能,以及确定曲线加强筋板最优尺寸数值,通过加载试验,对改善后的结构进行数值模拟计算和安全性分析。考虑两种常见的突发状况:(1)瓦斯等气体爆炸产生的冲击波;(2)煤炭坍塌产生的重压。考虑实际工况情况下受力的复杂性,进行数值模拟分析时,加载如下3种载荷方式:(1)侧面载荷—壳体侧面施加2MPa冲击压力;(2)顶面载荷—壳体顶部施加2MPa恒定压力;(3)组合载荷—同时在壳体侧面施加2MPa的冲击压力和在顶部施加2MPa的恒定压力。3者采用同样的约束方式,具体如下:(1)选取救援舱下部(图6中的下表面)的4个节点,对其施加全位移约束;(2)选取救援舱两个侧面的所有节点,对其施加Z向位移约束。以施加侧面冲击载荷为例,详细说明对救生舱壳体进行数值模拟分析的过程。以某公司生产的加强筋板高度H=120mm、厚度t=10mm的救生舱施加侧面载荷为例,利用三维建模软件Pro/E建立救生舱实体模型,如图7所示。救生舱壳体结构主要是通过焊接连接和螺栓连接,确定假设条件中消除了焊接压力,螺栓连接是可靠的,同时为了减少计算量、提高运算效率,取救生舱的生存中舱作为分析对象。建立ANSYS文件,设定分析作业名和标题;定义单元类型,选用10节点四面体实体结构单元;定义材料属性,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,密度为7.85×103kg/m3。然后进行网格划分、定义边界条件、模拟工况条件施加载荷。选取救援舱侧面,对其施加冲击压力,冲击载荷选用三角波载荷,超压峰值2MPa,压力增大时间10ms,超压作用时间500ms,进行求解。查看结果,得到壳体初始结构的应力如图6所示,位移如图8所示。采用同样步骤对生存中舱施加顶面载荷和组合载荷得到应力云图和位移云图。然后,对x=H/6,x=H/4和x=H/3壳体结构进行分析。其中x=H/6的曲线加强筋板壳体结构受侧面冲击压力时的效果如图9和10所示。得到数值模拟分析后的试验值见表1,其中,Fmax为最大应力;Fmin为最小应力;εmax为壳体最大变形量;εmin为壳体最小变形量。画出4种结构在3种加载方式作用下的变形曲线和应力曲线,如图11~13所示。由图11可知,侧面的冲击压力对壳体的变形量影响最大,其大小决定救生舱壳体的变形量;顶面的恒定压力对壳体的变形量影响最小。3种工况载荷下,随着偏移量x从0增加,变形量逐渐减小,偏移量x在20~30mm时变形量达到最小,然后再逐渐变大。其中偏移量x在20~30mm时,3种载荷状态下壳体变形量相差不大,最大差值为1.21mm;当x=30mm时,相对于规则板,侧面压力引起的变形量减小17%,组合压力变形量减小24%,顶面压力变形量减小24%。由图12可知,组合应力对救生舱壳体内部应力状态有较大影响,决定了壳体的最大受力状态;在组合压力下,x=0时壳体承受的最大等效应力最大,此时已超过材料的屈服强度,x=30mm时壳体承受最大等效应力最小,减小了57%。在顶面压力和侧面压力载荷下,x=0时壳体承受最大等效应力最大,x=40mm时壳体承受最大等效应力最小,分别降低了44%和37%。综合考虑3种载荷情况下,偏移量x在25~35mm时,各个工况载荷引起的最大等效应力值相差最小,此时壳体结构临界危险状态趋于一致,适应各种工况载荷,救生舱的整体安全性能比较可靠。由图13可得,在3种工况载荷下,x=0时壳体承受的最小等效应力最大,x≥20mm时壳体承受的最小等效应力基本趋于一致。最小等效应力不影响壳体结构性能,在此仅作为参照数据,反应了救生舱壳体材料内部的应力分布状态。经过对图11~13的分析得知,当加强筋板高度H=120mm时,偏移量x=30mm得到的救生舱壳体具有较好的力学性能。此时最大变形量减小24%,最大等效应力减小了57%。对3种尺寸型号的救生舱曲线筋板结构与原直线筋板结构进行数值仿真对比实验,经过综合考虑,得出合理结论:当加强筋板的高度确定时,偏移量为加强筋板高度的25%时,曲线加强筋板在各种工况载荷下最大变形量最小,最大等效应力状态趋于一致,综合力学性能达到最好的状态。4曲线筋板的防护曲线加强筋板的突起部分导致加强筋板高度增加,对救生舱的平稳安放带来一定困难。该曲线结构对救生舱底座的布置有一定要求,底座需要依据救生舱壳体的结构形式,进行合理安排。对救生舱进行热环境分析时,相对于规则加强筋板,曲线加强筋板结构的不同部位导热能力不同,需要通过传热计算方法来分析救生舱的热防护性能。考虑使用等效的计算方法或者仿真软件进行热传递分析,防止形成热桥。基于当前的生产工艺,在加工曲线板时,采用氢氧焰切割机自动切割出弧线。曲线筋板的焊接方式和均匀布筋的焊接方式相同,不增加制造难度。另外针对筋板破坏的力学机制和变形特征,采用局部钢材调制、关键点补强等针对性防治措施。同时,以曲线加强筋板为基础,优化加强筋板的间距和稀疏程度,