救生艙防水承壓研究

詹子娜，金龍哲，黃志凌，李乾坤

(1. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2. 礦山避險(xiǎn)技術(shù)研究中心，北京，100083)

救生艙防水承壓研究

詹子娜1,2，金龍哲1,2，黃志凌1，李乾坤1

(1. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2. 礦山避險(xiǎn)技術(shù)研究中心，北京，100083)

為提高礦井突水后救生艙綜合防護(hù)能力，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究防水型救生艙外殼的承水壓性能?；跐撏гO(shè)計(jì)理論，計(jì)算環(huán)肋圓柱殼承壓性能的3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力和2個(gè)穩(wěn)定性臨界載荷，得到外殼承壓結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素(即殼板厚度、加強(qiáng)筋間距、加強(qiáng)筋型材)對(duì)其應(yīng)力及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出一組防水型救生艙外殼設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，并通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：制造的防水艙能承受水深300 m(3 MPa)靜水壓力，最大應(yīng)力為288.6 MPa，最大形變量為3 mm。

救生艙；環(huán)肋圓柱殼；承壓性能；關(guān)鍵應(yīng)力；穩(wěn)定性載荷

煤礦透水事故作為井下五大災(zāi)害之一[1]，具有極大的危害性和爆發(fā)性，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)和礦工的生命[2?3]?，F(xiàn)階段，隨著煤礦井下“6大系統(tǒng)”的構(gòu)建，以救生艙為代表的緊急避險(xiǎn)設(shè)備本著為井下遇險(xiǎn)礦工提供生命保障空間的宗旨得到推廣應(yīng)用。針對(duì)救生艙艙體承壓強(qiáng)度性能研究，國(guó)內(nèi)外更側(cè)重于瓦斯爆炸沖擊波對(duì)其的影響[4?6]，但其標(biāo)準(zhǔn)仍不能滿(mǎn)足防水密閉耐壓的功能定位，也無(wú)統(tǒng)一的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以衡量其防水性能。本文作者為提高救生艙在井下的綜合防護(hù)功能，借鑒潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，對(duì)其防水結(jié)構(gòu)和耐高壓性能進(jìn)行深入研究，提出一套科學(xué)的救生艙防水耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和依據(jù)，并通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)和條件進(jìn)行驗(yàn)證。

1　救生艙耐壓性能關(guān)鍵影響因素

考慮到井巷和罐籠的限制，亦滿(mǎn)足救生艙生命保障系統(tǒng)、應(yīng)急逃生及耐高壓的性能[7?8]，進(jìn)行救生艙耐壓圓柱外殼、支撐肋骨和艙體開(kāi)孔等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而艙體耐壓性能主要取決于外部承壓外殼的設(shè)計(jì)?；跐撏С袎航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論[9]，采用承壓最好的環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)[10]，并利用其3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力和2個(gè)穩(wěn)定性指標(biāo)校核穩(wěn)定性和強(qiáng)度失效形式[11?12]，以確定其關(guān)鍵因素的影響方式，提出防水耐壓救生艙的理論設(shè)計(jì)方案。

1.1承壓外殼應(yīng)力校核方法

根據(jù)潛艇承壓結(jié)構(gòu)校核方法，重點(diǎn)考慮跨度中點(diǎn)處殼縱剖面的中面應(yīng)力、跨端中點(diǎn)處殼橫剖面內(nèi)表面應(yīng)力′和加強(qiáng)筋剖面應(yīng)力σf等3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力[9]，計(jì)算方法為

式中：p為外壓載荷，MPa；R為艙體半徑，mm；t為艙體外殼厚度，mm；ε1，ε3和ε4分別為應(yīng)變參數(shù)，無(wú)量綱；μ為泊松比，取0.3。

由式(1)可知：計(jì)算得到的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足其小于許用應(yīng)力的條件。

1.2承壓外殼穩(wěn)定性校核方法

即使承壓外殼的各處應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，艙體仍可能會(huì)失穩(wěn)，進(jìn)行殼體穩(wěn)定性校核尤為重要，主要包括局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性，取其最小臨界載荷作為艙體穩(wěn)定性的極限載荷[13]，則整體穩(wěn)定性臨界載荷pE計(jì)算公式為

局部穩(wěn)定性臨界載荷pD計(jì)算公式為

式中：α1和α2為外殼參數(shù)，α1=πR/L，α2=πR/l；L為艙體單元長(zhǎng)度，mm；l為加強(qiáng)筋的距離，mm；n為艙體變形的波數(shù)；D為艙體的抗彎強(qiáng)度系數(shù)，D =Et3/(1?μ2)/12；E為材料的彈性模量，MPa；I為計(jì)帶板的加強(qiáng)筋慣性矩，mm4。

1.3救生艙環(huán)肋圓柱殼耐壓性能的關(guān)鍵因素

影響救生艙肋圓柱殼耐壓性能的關(guān)鍵因素包括殼板材料、殼板厚度、加強(qiáng)筋間距和型材等，通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)比分析得到環(huán)肋圓柱殼耐壓性能設(shè)計(jì)的最佳方案，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

取救生艙外直徑為2 m，單元長(zhǎng)度為2 m，為滿(mǎn)足救生艙可承載150 m深水壓，引入安全系數(shù)為1.5，即所承受載荷按2.25 MPa進(jìn)行理論研究。

由于材料的屈服極限與3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力密切相關(guān)，材料的選取直接決定著救生艙耐壓性能的好壞。從防護(hù)性能、綜合成本、制造可行性的角度考慮，比較不同金屬材料的抗拉、抗壓性能指標(biāo)，采用強(qiáng)度較高的Q620鋼作為艙體殼板。

1.3.1殼板厚度

潛艇殼板厚度一般為20～30 mm，由于防水艙半徑較小，強(qiáng)度要求也較低，考慮到耗材和艙體整體質(zhì)量要求，從殼板厚度5～25 mm進(jìn)行分析和校核以確定最佳厚度。以潛艇設(shè)計(jì)運(yùn)用較多的T型鋼加強(qiáng)筋，間距400 mm為例進(jìn)行理論分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：在相同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)下，殼板厚度對(duì)艙體所受3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力影響較大，隨著殼板厚度的增加，關(guān)鍵應(yīng)力逐漸減小，尤其在殼板厚度較小時(shí)，對(duì)跨度中點(diǎn)殼縱剖面的中面應(yīng)力、跨端中點(diǎn)殼橫剖面應(yīng)力影響更為顯著，而對(duì)加強(qiáng)筋剖面應(yīng)力影響較小；殼板越厚，艙體的整體穩(wěn)定性臨界載荷越大，但整體穩(wěn)定性臨界載荷曲線(xiàn)變化較為平緩，表明殼板厚度對(duì)其整體穩(wěn)定性影響并不顯著。局部穩(wěn)定性載荷曲線(xiàn)隨殼板厚度增加呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明殼板厚度的增加可顯著提高其局部穩(wěn)定性。但由于殼板整體穩(wěn)定性并未顯著增加，當(dāng)厚度增至某臨界值時(shí)，外載荷到達(dá)局部失穩(wěn)臨界載荷前，艙體已整體失穩(wěn)，即殼板厚度為5 mm，艙體局部在壓力為0.94 MPa即會(huì)失穩(wěn)。

通過(guò)增加板厚可提高艙體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但考慮到制造成本、整艙質(zhì)量和內(nèi)部空間要求等問(wèn)題，選取局部穩(wěn)定性臨界載荷為5.61 MPa的10 mm殼板為最優(yōu)方案。

圖1　殼板厚度對(duì)應(yīng)力和穩(wěn)定性影響規(guī)律Fig. 1 Influence of shell thickness on stress and stability

1.3.2加強(qiáng)筋間距

為保證殼體具有良好的穩(wěn)定性，在耐壓圓柱殼體內(nèi)部設(shè)置環(huán)向加強(qiáng)筋。通過(guò)分析不同間距對(duì)艙體承壓結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律以確定其最優(yōu)設(shè)置方式，如圖2所示。

由圖2可知：在相同型號(hào)加強(qiáng)筋下，隨著間距增大，跨端中點(diǎn)殼橫剖面和跨度中點(diǎn)殼縱剖面所受應(yīng)力呈先增大后基本平穩(wěn)的趨勢(shì)。可見(jiàn)，加強(qiáng)筋間距越大，跨端中點(diǎn)殼橫剖面和跨度中點(diǎn)殼縱剖面所受應(yīng)力越大，但當(dāng)間距增加到450 mm時(shí)，其基本上不再對(duì)應(yīng)力有影響。加強(qiáng)筋的間距對(duì)加強(qiáng)筋剖面應(yīng)力影響較小，因剖面應(yīng)力與加強(qiáng)筋型材緊密相關(guān)，與加強(qiáng)筋間距并無(wú)關(guān)聯(lián)性。加強(qiáng)筋的間距越大，艙體的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的臨界載荷越小，但整體穩(wěn)定性與加強(qiáng)筋間距關(guān)聯(lián)性并不大；局部穩(wěn)定性臨界載荷影響程度隨之逐漸減小，當(dāng)l＞650 mm時(shí)，殼體在3 MPa時(shí)局部失穩(wěn)。雖加強(qiáng)筋間距越小所受應(yīng)力越小，穩(wěn)定性越高；但確定加強(qiáng)筋間距時(shí)，為達(dá)到加強(qiáng)筋的最高承壓性能和材料的最大利用率，在滿(mǎn)足應(yīng)力和失穩(wěn)臨界載荷2方面的要求下選取有效最大間距為500 mm。

1.3.3加強(qiáng)筋型號(hào)

由于加強(qiáng)筋處需布置隔熱材料，其型號(hào)(腹板高度×翼板寬度)不能大于75 mm×75 mm，針對(duì)以下3種加強(qiáng)筋進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖2　加強(qiáng)筋間距對(duì)應(yīng)力和穩(wěn)定性的影響Fig. 2 Influence of stiffeners distance on stress and stability

圖3　加強(qiáng)筋型號(hào)對(duì)應(yīng)力和穩(wěn)定性的影響Fig. 3 Influence of stiffener shapes on stress and stability

由圖3可知：隨著加強(qiáng)筋型號(hào)遞增，其剖面應(yīng)力遞減，而跨端中點(diǎn)殼橫剖面應(yīng)力隨之增大，跨度中點(diǎn)殼縱剖面應(yīng)力基本不變。加強(qiáng)筋剖面和跨端橫剖面應(yīng)力變化趨勢(shì)相反，要綜合考慮加強(qiáng)筋剖面和跨端橫剖面受力情況，取最優(yōu)點(diǎn)。加強(qiáng)筋型號(hào)對(duì)艙體局部穩(wěn)定性沒(méi)有影響，因局部穩(wěn)定性載荷主要是殼板厚度和加強(qiáng)筋間距決定的。但整體穩(wěn)定性臨界載荷隨加強(qiáng)筋型號(hào)遞增而增大，即艙體也不易失穩(wěn)。3種加強(qiáng)筋下艙體的關(guān)鍵應(yīng)力與穩(wěn)定性臨界載荷均能滿(mǎn)足救生艙的耐壓要求，為了留有足夠的安全余量，并達(dá)到最低的成本，選取腹板高度×翼板寬度為60 mm×60 mm的T型加強(qiáng)筋。

1.4環(huán)肋圓柱殼單元耐壓性能數(shù)值模擬

艙體單元結(jié)構(gòu)主要包括耐壓殼體、內(nèi)部加強(qiáng)筋與法蘭3部分。構(gòu)建直徑為2 m，長(zhǎng)為2 m的單元模型，法蘭厚為70 mm，每片法蘭共40個(gè)螺栓孔，螺栓孔直徑為60 mm。單元結(jié)構(gòu)采用SHELL181，內(nèi)部加強(qiáng)筋和法蘭采用SOLID187進(jìn)行定義[14]，其應(yīng)力和形變?cè)茍D如圖4所示。

圖4　環(huán)肋圓柱殼應(yīng)力和形變分析圖Fig. 4 Stress and deformation nephograms of ring stiffened cylindrical shell

由圖4可知：環(huán)肋圓柱殼單位最大變形在相鄰加強(qiáng)筋的殼板中心點(diǎn)，最大應(yīng)力位于加強(qiáng)筋與艙端的殼板中心處，是跨端中點(diǎn)殼的表面應(yīng)力，即3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力之一。

表1所示為理論計(jì)算和仿真模擬計(jì)算結(jié)果，兩者關(guān)鍵應(yīng)力基本一致，相對(duì)誤差較小，其主要是由模型簡(jiǎn)化和網(wǎng)格引起的，在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型構(gòu)建與數(shù)值模擬的正確性，為下一步整艙耐壓穩(wěn)定性的研究提供了可行有效的方法。

2　整艙模型耐壓穩(wěn)定性能數(shù)值模擬

構(gòu)建防水艙模型，主要由艙體外殼、橢圓形封頭[15]、法蘭、加強(qiáng)筋與開(kāi)孔5部分構(gòu)成。根據(jù)壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式原則，采用等面積法厚壁管補(bǔ)強(qiáng)[16]，艙門(mén)處補(bǔ)強(qiáng)2 150 mm2，應(yīng)急艙門(mén)補(bǔ)強(qiáng)1 900 mm2。

艙體采用Q620鋼，外徑R=1 m，長(zhǎng)度L=6 m，單節(jié)長(zhǎng)2 m，殼板厚度t=10 mm，加強(qiáng)筋采用腹板高度×翼板寬度為60 mm×60 mm 的T型鋼，間距l(xiāng)=500 mm；實(shí)際施加的載荷P=2.25 MPa，作用于環(huán)肋圓柱殼的外表面[17?18]。在開(kāi)孔區(qū)域、連接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，模擬結(jié)果如圖5～7所示。

圖5　整艙應(yīng)力和形變?cè)茍DFig. 5 Stress and deformation nephograms of refuge chamber

表1　環(huán)肋圓柱殼關(guān)鍵應(yīng)力模擬結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Contrast of simulation and calculation results of ring stiffened cylindrical shell

圖6　艙尾形變?cè)茍DFig. 6 Deformation nephogram of tail

圖7　觀(guān)察窗和應(yīng)急門(mén)應(yīng)力分析圖Fig. 7 Stress nephogram of observation window and emergency door

2.1應(yīng)力分析

1) 艙體在2.25 MPa的載荷下，絕大部分區(qū)域應(yīng)力為100～300 MPa，艙體開(kāi)孔處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力點(diǎn)位于艙體觀(guān)察窗處，由于未對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)力達(dá)到了459 MPa，后期設(shè)計(jì)中需單獨(dú)對(duì)觀(guān)察窗采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

2) 正門(mén)和應(yīng)急門(mén)處均有應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖門(mén)孔直徑遠(yuǎn)大于觀(guān)察窗，由于門(mén)框的設(shè)置很大程度上加強(qiáng)了其強(qiáng)度，最大應(yīng)力由2 020 MPa降至255 MPa，具有補(bǔ)強(qiáng)效果，圓柱殼軸向開(kāi)孔強(qiáng)度強(qiáng)于徑向開(kāi)孔。

2.2形變分析

1) 在2.25 MPa的實(shí)際載荷下，整艙最大形變位置在艙尾橢圓封頭的中心處，為3 mm；其次較大的形變位置在艙首橢圓封頭，最大值約為1.7 mm，是由于兩處都無(wú)結(jié)構(gòu)件支撐。

2) 開(kāi)孔部位雖有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但形變沒(méi)有特殊變化，說(shuō)明應(yīng)力與形變并沒(méi)有直接關(guān)系。

3) 艙體環(huán)肋圓柱殼未發(fā)生屈服或失穩(wěn)，3 mm的形變?cè)诳山邮艿姆秶鷥?nèi)；應(yīng)力均未超過(guò)各部位的許用應(yīng)力，證明救生艙的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足承壓1.5 MPa靜水壓的技術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證了方案的可行性。

3　防水型救生艙性能檢測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證防水型救生艙理論設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬的可靠性，系統(tǒng)性考察艙體在靜水壓下應(yīng)力變化規(guī)律，建立了水壓模擬試驗(yàn)中心，構(gòu)建了耐壓艙、注水加壓系統(tǒng)、應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與附屬系統(tǒng)等4大系統(tǒng)。

根據(jù)整艙模擬結(jié)果，在應(yīng)力偏大或特殊薄弱部位共布置了32個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，艙體測(cè)點(diǎn)布置方案和應(yīng)變片編號(hào)1～29如圖8所示，其中5個(gè)應(yīng)變較大位置的檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9中各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)力值為負(fù)表示受壓，為正表示受拉，各條曲線(xiàn)均出現(xiàn)4段平臺(tái)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間段分別為保壓1.5，2.0，2.5和3.0 MPa。應(yīng)變儀所測(cè)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化平穩(wěn)，并與水壓變化趨勢(shì)完全一致，數(shù)據(jù)可靠。整個(gè)試驗(yàn)壓力未出現(xiàn)波動(dòng)或失壓，說(shuō)明艙體未出現(xiàn)泄漏或大變形，救生艙與水壓模擬設(shè)備的承壓與水密性能良好。

圖8　救生艙應(yīng)變片布置圖Fig. 8 Layout of strain gauges on refuge

圖9　5個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線(xiàn)Fig. 9 Stress detection curve of five key pots

整個(gè)試驗(yàn)所測(cè)得的最大應(yīng)變?yōu)?1.401×10?3，應(yīng)力約為288.6 MPa，位于觀(guān)察窗附近，屬于跨端中點(diǎn)殼橫剖面應(yīng)力，其值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力527 MPa，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的艙體耐壓強(qiáng)度足以承載3 MPa靜水壓。

4　結(jié)論

1) 借鑒潛艇設(shè)計(jì)原則，提出了救生艙耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，校核3個(gè)關(guān)鍵應(yīng)力和2個(gè)穩(wěn)定性臨界載荷可滿(mǎn)足救生艙的耐壓和穩(wěn)定性技術(shù)要求，分別為跨度中點(diǎn)處殼縱剖面的中面應(yīng)力、跨端中點(diǎn)處殼橫剖面的表面應(yīng)力和加強(qiáng)筋剖面應(yīng)力及整體穩(wěn)定性臨界載荷、局部穩(wěn)定性臨界載荷。

2) 通過(guò)理論分析得到救生艙的殼板厚度、加強(qiáng)筋型號(hào)與加強(qiáng)筋間距等主要因素對(duì)其防水艙耐壓應(yīng)力和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，在救生艙承壓外殼設(shè)計(jì)中具有參考意義，不僅可提高防水艙耐壓性能，更可達(dá)到最低經(jīng)濟(jì)成本的要求。

3) 提出了1組最佳防水艙設(shè)計(jì)方案：艙體長(zhǎng)度為3.5 m，采用10 mm 的Q620鋼材，加強(qiáng)筋采用腹板高度×翼板寬度為60 mm×60 mm的T型鋼，間距為500 mm；基于A(yíng)NSYS數(shù)值模擬驗(yàn)證此方案可承受2.25 MPa的靜水載荷，驗(yàn)證了理論計(jì)算的可行性，得到其最大應(yīng)力位于救生艙觀(guān)察窗，最大的應(yīng)變位于艙尾封頭中心，為水壓模擬試驗(yàn)的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

4) 基于研發(fā)的水壓模擬試驗(yàn)平臺(tái)，救生艙在3 MPa水壓下保壓18 h，艙體未出現(xiàn)明顯變形，最大應(yīng)變出現(xiàn)在艙體觀(guān)察窗處，應(yīng)力達(dá)288.6 MPa，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，救生艙可承受3 MPa(即300 m水深)的靜水壓。

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(編輯 劉錦偉)

Research on waterproof and bearing pressure of refuge chamber

ZHAN Zina1,2, JIN Longzhe1,2, HUANG Zhiling1, LI Qiankun1
(1. Civil and Environmental Engineering Institute, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Mine Emergency Technology Research Center, Beijing 100083, China)

In order to improve the comprehensive protection of mine refuge chamber when the flooding accidents occurred, the bearing pressure performance of waterproof refuge chamber was studied by the combining theoretical calculation, numerical simulation and field test. Based on the submarine knowledge, three key stresses and two stability loads closely related to the ring stiffened cylindrical shell were calculated. Three crucial factors were taken into account, i.e. shell thickness, stiffeners distance and stiffener shapes, and the laws of the stress and stability influenced by the factors were found out. Finally, the optimal design of waterproof refuge chamber was proposed, which was verified by ANSYS numerical simulation and field test. The results show that the refuge chamber produced according to the program can bear hydrostatic pressure 3 MPa, being equivalent to the pressure of 300 m water depth, the maximum stress is 288.6 MPa, and the maximum displacement is 3 mm.

refuge chamber; ring stiffened cylindrical shell; bearing pressure performance; key stress; stability load

X924.4

A

1672?7207(2016)03?0882?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.022

2015?03?13；

2015?05?12

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK09B00) (Project(2012BAK09B00) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period)

金龍哲，教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)技術(shù)、礦山安全和應(yīng)急救援研究；E-mail: lzjin@ustb.edu.cn