沖擊載荷下救生艙縮比模型模擬驗證

羅浩舜，竇宏鶯，戴 震，李志強

（1.太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西北方工業(yè)晉東化工有限公司，山西陽泉 045000；3.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原 030024）

瓦斯爆炸事故破壞性大，容易造成井下工作人員嚴重傷亡。為保障井下工作人員安全，國內(nèi)外許多煤礦相關(guān)企業(yè)設(shè)計了煤礦井下救生艙[1-2]。而瓦斯爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波，會使得救生艙的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的塑性變形，甚至在其關(guān)鍵部分處失效，失去保護作用。救生艙作為保障人員安全、方便營救的緊急救生設(shè)備，其結(jié)構(gòu)強度及安全性關(guān)乎工作人員的生命安全。為保障救生艙的安全性，必須使其在爆炸的沖擊作用下不被破壞。

目前，研究救生艙的抗沖擊性能主要有2 種方法：一種是實物試驗，一種是數(shù)值模擬[3]。實物試驗通常是根據(jù)經(jīng)驗或標準來確定救生艙的結(jié)構(gòu)，然后制造等比例救生艙模型以及巷道，進行真實試驗。這樣如果設(shè)計不符合設(shè)計要求，就會導(dǎo)致成本太高、研發(fā)周期拖長和材料的浪費。為了避免上述問題，利用縮比模型進行試驗或模擬，得到精確數(shù)據(jù)來反映對應(yīng)模型數(shù)據(jù)的方法是一種常見的有效研究手段?？s比模型試驗方法是基于相似原理提出的，國內(nèi)外學(xué)者針對相似原理及其應(yīng)用和縮比模型在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，做了大量研究工作。楊亞東等[4]利用有限元軟件LS-DYNA 對不同縮比系數(shù)的縮比結(jié)構(gòu)進行仿真計算；譚志勇等[5]提出大型運載火箭動力學(xué)縮比模型的相似關(guān)系，并對其縮比模型進行了試驗及計算仿真；孫大鵬等[6]詳細地研究了在船體抗水下爆炸沖擊模型試驗中相似理論的應(yīng)用方法。

然而，對于救生艙直接進行縮比模型試驗，還需進一步研究。按照國家規(guī)定，救生艙迎爆面最低抗沖擊壓力為0.6 MPa。為此，根據(jù)相關(guān)文獻研究[7-9]，采用對救生艙縮比模型和原比例模型的引爆面施加壓力峰值0.6 MPa 的等效三角載荷，然后在有限元軟件ANSYS Workbench 中進行模擬分析；通過對比相關(guān)安全標準，分析救生艙整體結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生破壞，在救生艙的前后門系統(tǒng)等關(guān)鍵部位是否有屈服，檢驗救生艙縮比結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的安全可靠性能；通過對比救生艙縮比模型和原比例模型的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果，分析2 個模型應(yīng)力、變形等結(jié)果之間的關(guān)系，為使用救生艙縮比模型進行真實試驗提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元模型

1）幾何模型。救生艙艙體由過渡艙、生存艙、設(shè)備艙組成，過渡艙有1 節(jié)艙體，生存艙有6 節(jié)艙體，設(shè)備艙有1 節(jié)艙體。原救生艙尺寸為6 630 mm×900 mm×1 500 mm，由于采用幾何比例因子β=1/4，所以救生艙縮比模型的尺寸為1 657.5 mm×475 mm×375 mm，包括交叉式鋼筋骨架和蒙皮及法蘭，以及前后門系統(tǒng)。在UG 中，建立了救生艙原模型和縮比模型的三維幾何模型，由于兩者形狀相同，只給出救生艙縮比模型的幾何結(jié)構(gòu)，救生艙幾何模型如圖1。

圖1 救生艙幾何模型Fig.1 Geometric model of the refuge chamber

2）材料參數(shù)。救生艙主體結(jié)構(gòu)的材料使用Q345鋼，包括骨架、地面結(jié)構(gòu)、蒙皮、法蘭以及各個門上的鋼骨架；前門、防爆門、后門和逃生門的材料使用QT450-10 球墨鑄鐵。同樣，救生艙縮比模型和救生艙原模型應(yīng)該使用相同的材料。由于Q345 鋼是塑性材料，QT450-10 而球墨鑄鐵強度、塑性性能較好[10]，所以QT450-10 也可看做塑性材料。因此，Q345 和QT450-10 考慮采用彈塑性本構(gòu)模型，即需要輸入材料的強化曲，擬采用雙線性本構(gòu)模型。各材料的主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Material mechanics parameters

3）有限元網(wǎng)格。由于救生艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，并節(jié)約計算時間，對模型進行一些簡化是非常有必要的。做出簡化如下：①認為螺栓強度足夠，忽略螺栓；②救生艙結(jié)構(gòu)對稱，受力對稱，只取其1/2 結(jié)構(gòu)進行模擬分析。將之前在NX 8.0 中建立的救生艙原比例模型和縮比模型的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench 中，然后對此模型進行切分，將其切分成小塊，并能在ANSYS 中劃分出合理、規(guī)則的網(wǎng)格。由于兩者幾何形狀相同，只給出縮比模型的網(wǎng)格劃分，救生艙有限元網(wǎng)格如圖2。救生艙縮比模型和原比例模型整體及各部分的網(wǎng)格信息見表2。

表2 救生艙各部分網(wǎng)格參數(shù)Table 2 Element parameters of each part

圖2 救生艙有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh of refuge chamber

4）邊界條件及載荷條件。根據(jù)救生艙實際安裝情況，救生艙通過螺栓將其固定在地面上。因此，在有限元軟件中需要對救生艙的模型底部施加固定約束?？紤]實際情況，救生艙的正面、頂面、側(cè)面以及背面，均受到?jīng)_擊作用。根據(jù)國家出臺的安全要求，救生艙迎爆面至少需要承受壓力峰值為0.6 MPa 的沖擊載荷。根據(jù)以前的研究，對救生艙原比例模型正面施加0.01 s 時達到壓力峰值為0.6 MPa，持續(xù)時間為0.4 s 的等效三角沖擊載荷。同樣根據(jù)爆炸相似率[11]以及相關(guān)文獻的研究[12-14]，對救生艙縮比模型的正面施加1 個持續(xù)時間為0.1 s，0.002 5 s 時達到壓力峰值為0.6 MPa 的三角沖擊載荷。一般來說，頂面及側(cè)面所受到的壓力峰值為正面的1/2。救生艙原比例模型和縮比模型的載荷時間曲線如圖3。

圖3 載荷-時間曲線Fig.3 Load-time curves

2 模擬結(jié)果

使用有限元軟件ANSYS Workbench，救生艙進行模擬計算。根據(jù)國家安全標準，整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不得大于材料的強度極限；重點部分最大應(yīng)力不得大于材料屈服強度。救生艙板殼最大變形量不得超過2%；梁柱變形量不得超過1%。在圖3 加載條件下，進行救生艙原比例模型和縮比模型的模擬。

2.1 整體結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

2.1.1 整體結(jié)構(gòu)模擬應(yīng)力結(jié)果

救生艙原比例模型與縮比模型整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-時間曲線如圖4。救生艙原比例模型和縮比模型整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值分別達到最大時的應(yīng)力云圖如圖5。

圖4 整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力-時間曲線Fig.4 Stress-time curves of the whole structure

圖5 救生艙應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress distribution contour of the refuge chamber

從圖4 可以看出，原比例模型與縮比模型整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，剛開始隨時間逐漸增加，達到最大值后，呈振蕩型衰減至穩(wěn)定；縮比模型在2×10-3s 時刻等效應(yīng)力值達到最大，原比例模型在8×10-3s 時刻等效應(yīng)力值達到最大。

從圖5（a）可以看出，縮比模型整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為535.72 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2 節(jié)生存艙骨架與底面的接觸處；圖5（b）中原比例模型整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為536.9 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第2節(jié)生存艙骨架與底面的接觸處；此外，骨架與底面接觸處，前門系統(tǒng)與骨架和底面接觸處等位置應(yīng)力值也較大，雖然可能會產(chǎn)生屈服但不會破壞。

從圖4 和圖5 的模擬結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，縮比結(jié)構(gòu)與原比例結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時間變化趨勢相同，在整體結(jié)構(gòu)中的相似位置產(chǎn)生最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力相差不大；2 個結(jié)構(gòu)分別達到最大應(yīng)力時的應(yīng)力分布相同，縮比模型達到最大應(yīng)力所需時間為原比例模型的1/4。

2.1.2 整體結(jié)構(gòu)模擬變形結(jié)果

救生艙原比例模型與縮比模型整體結(jié)構(gòu)的變形-時間曲線如圖6。救生艙原比例模型和縮比模型整66 體結(jié)構(gòu)的變形量分別達到最大時的變形云圖如圖7。

圖6 救生艙整體變形-時間曲線Fig.6 Deformation-time curves of the whole structure

圖7 救生艙變形分布云圖Fig.7 Deformation distribution contour of the whole structure

從圖6 可以看出，原比例模型與縮比模型整體結(jié)構(gòu)的變形，剛開始隨時間逐漸增加，達到最大值后，呈振蕩型衰減至穩(wěn)定；縮比模型在3×10-3s 時刻變形量達到最大，原比例模型在1.2×10-2s 時刻變形量達到最大；縮比模型殘余變形在0.2 mm 左右，原比例模型殘余變形在0.8 mm 左右。

從圖7（a）可以看出，縮比模型整體結(jié)構(gòu)最大變形量為2.187 4 mm，最大變形出現(xiàn)在生存艙側(cè)面蒙皮中央；圖7（b）中原比例模型整體結(jié)構(gòu)最大變形量為8.759 5 mm，最大變形出現(xiàn)在生存艙側(cè)面蒙皮中央；2 個模型的最大變形都未超過2%，符合安全標準要求。

從上述結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，縮比結(jié)構(gòu)與原比例結(jié)構(gòu)變形量隨時間變化趨勢相同，在整體結(jié)構(gòu)中的相似位置產(chǎn)生最大變形，且縮比模型最大變形大約是原模型的1/4；2 個結(jié)構(gòu)分別達到最大變形量時的變形分布相同，縮比模型達到最大變形量所需時間為原比例模型的1/4。

2.2 前后門系統(tǒng)模擬結(jié)果

2.2.1 前后門系統(tǒng)模擬應(yīng)力結(jié)果

縮比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力-時間曲線如圖8，原比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力-時間曲線如圖9。等效應(yīng)力達到最大時縮比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖如圖10，等效應(yīng)力達到最大時原比例模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力云圖圖11。

圖8 縮比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力-時間曲線Fig.8 Stress-time curves of front and back door system on the scaled model

圖9 原比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力-時間曲線Fig.9 Stress-time curves of front and back door system on the original model

圖10 縮比模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖Fig.10 Stress distribution contour of front and back door system on the scaled model

圖11 原比例模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力云圖Fig.11 Stress distribution contour of front and back door system on the original model

從圖8 和圖9 中可以發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)力值隨時間逐漸增加而增加，達到最大值后，呈振蕩型衰減至穩(wěn)定；縮比模型前后門系統(tǒng)的等效應(yīng)力在3×10-3s 時刻達到最大，原比例模型前后門系統(tǒng)的等效應(yīng)力在1.2×10-2s 達到最大。

從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，縮比模型前門系統(tǒng)最大應(yīng)力為378.72 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在前門系統(tǒng)下側(cè)骨架角點處；后門系統(tǒng)最大應(yīng)力為70.647 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在后門系統(tǒng)后門板中間邊緣位置；前門系統(tǒng)的骨架中央，以及上側(cè)骨架角點處，由于應(yīng)力集中，也存在應(yīng)力較大的現(xiàn)象；前門板最大應(yīng)力未超過材料屈服強度310 MPa，符合安全要求。

從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，原比例模型前門系統(tǒng)最大應(yīng)力為371.15 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在前門系統(tǒng)下側(cè)骨架角點處，略微超過屈服強度；后門系統(tǒng)最大應(yīng)力為70.595 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在后門系統(tǒng)后門板中間邊緣位置。

從上述結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，縮比模型與原比例模型前后門系統(tǒng)應(yīng)力隨時間變化趨勢相同，最大應(yīng)力出現(xiàn)在2 個模型前后門系統(tǒng)分別對應(yīng)的相似位置，且最大應(yīng)力值相差不大；2 個模型的前后門系統(tǒng)分別達到最大應(yīng)力時的應(yīng)力分布分別相同，縮比模型的前后門系統(tǒng)達到最大應(yīng)力所需時間為原比例模型的1/4。

2.2.2 前后門系統(tǒng)模擬變形結(jié)果

縮比模型前后門系統(tǒng)變形-時間曲線如圖12，原比模型前后門系統(tǒng)變形-時間曲線如圖13。變形值達到最大時縮比模型前后門系統(tǒng)變形云圖如圖14，變形值達到最大時原比例模型前后門系統(tǒng)變形云圖如圖15。

圖12 縮比模型前后門系統(tǒng)變形-時間曲線Fig.12 Deformation-time curves of front and back door system on the scaled model

圖15 原比例模型前后門系統(tǒng)變形云圖Fig.15 Deformation distribution contour of front and back door system on the original model

從圖12 和圖13 中可以發(fā)現(xiàn)，變形量隨時間逐漸增加，隨時間逐漸增加，達到最大值后，呈振蕩型衰減至穩(wěn)定；縮比模型前門系統(tǒng)的變形值在3.5×10-3s時刻達到最大，后門系統(tǒng)的變形值在3×10-3s 時刻達到最大；原比例模型前門系統(tǒng)的變形值在1.4×10-2s達到最大，后門系統(tǒng)的變形值在1.2×10-2s 時刻達到最大；縮比模型和原比例模型前后門系統(tǒng)最終殘余變形幾乎為0。

從圖14 可以發(fā)現(xiàn)，縮比模型前門系統(tǒng)最大變形量為1.15 mm，最大變形出現(xiàn)在前門板中央與骨架相接觸的地方；后門系統(tǒng)最大變形量為0.159 mm，最大變形出現(xiàn)在后門板中央偏下位置，符合安全要求。

從圖15 可以發(fā)現(xiàn)，原比例模型前門系統(tǒng)最大變形量為4.636 9 mm，最大變形出現(xiàn)在前門板中央與骨架相接觸的地方；后門系統(tǒng)最大變形量為0.636 mm，最大變形出現(xiàn)在后門板中央偏下位置。

從上述結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，縮比模型與原比例模型的前后門系統(tǒng)變形量隨時間變化趨勢相同，在整體結(jié)構(gòu)中的相似位置產(chǎn)生最大變形，且縮比模型最大變形大約是原模型的1/4；2 個結(jié)構(gòu)分別達到最大變形量時的變形分布相同，縮比模型的前后門系統(tǒng)達到最大變形量所需時間為原比例模型的1/4。

3 結(jié) 語

利用有限元軟件ANSYS Workbench，按照爆炸相似率理論，分別對救生艙縮比模型和原比例模型施加等效三角沖擊載荷，進行模擬計算和比對分析。主要考察了救生艙整體結(jié)構(gòu)以及前后門系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果，根據(jù)國家安全標準進行檢驗，進行救生艙縮比模型和原比例模型對應(yīng)結(jié)果的比較。

1）應(yīng)力結(jié)果?？s比模型與原比例模型整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值大致為535 MPa 左右，且均發(fā)生在第2節(jié)生存艙骨架與底面的接觸處；2 個模型前門系統(tǒng)最大應(yīng)力值大致為370 MPa 左右，且均出現(xiàn)在前門系統(tǒng)下側(cè)骨架角點處；后門系統(tǒng)最大應(yīng)力值大致為70 MPa 左右，且均出現(xiàn)在后門板中間邊緣位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，縮比模型與原比例結(jié)模型應(yīng)力隨時間變化趨勢相同，在模型中的相似位置應(yīng)力分布相同，且最大應(yīng)力相差不大，縮比模型達到最大應(yīng)力所需時間為原比例模型的1/4。

2）變形結(jié)果?？s比模型整體結(jié)構(gòu)最大變形值為2.187 4 mm, 原比例模型整體結(jié)構(gòu)最大變形量為8.759 5 mm，整體結(jié)構(gòu)最大變形均發(fā)生在生存艙側(cè)面蒙皮中央；縮比模型前門系統(tǒng)最大變形量為1.15 mm，原比例模型前門系統(tǒng)最大變形量為4.636 9 mm，前門系統(tǒng)最大變形均出現(xiàn)在前門板中央與骨架相接觸的地方；縮比模型后門系統(tǒng)最大變形值為0.159 mm，原比例模型后門系統(tǒng)最大變形量為0.636 mm，后門系統(tǒng)最大變形均出現(xiàn)在后門板中央偏下位置。可以發(fā)現(xiàn)，縮比模型與原比例結(jié)模型的變形量隨時間變化趨勢相同，在模型中的相似位置變形分布相似，且縮比模型中相同位置的變形量大概是原比例模型變形量的1/4，縮比模型達到最大變形所需時間為原比例模型的1/4。

3）救生艙縮比模型與原比例模型受到相似的等效三角沖擊載荷作用下，縮比模型的響應(yīng)結(jié)果與原比例模型的響應(yīng)結(jié)果具有一定相似性，具體來說就是，縮比模型的應(yīng)力、變形隨時間變化趨勢與原比例模型一致；縮比模型的應(yīng)力結(jié)果與原比例模型的應(yīng)力結(jié)果大致相同；縮比模型變形結(jié)果在相同位置處是原比例模型的1/4。

縮比模型的響應(yīng)結(jié)果與原比例模型具有一定相似性。因此，可以利用救生艙縮比模型在沖擊載荷作用下的響應(yīng)結(jié)果來合理、有效地大致反映救生艙原比例模型的響應(yīng)結(jié)果。