李 博， 孟益平， 盧文龍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.天長(zhǎng)市遠(yuǎn)洋船舶設(shè)備有限公司，安徽 天長(zhǎng) 239300）

防護(hù)密閉門抗爆炸沖擊的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

李 博1， 孟益平1， 盧文龍2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.天長(zhǎng)市遠(yuǎn)洋船舶設(shè)備有限公司，安徽 天長(zhǎng) 239300）

防護(hù)密閉門作為煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，有著很高的質(zhì)量要求。文章針對(duì)某企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)的防護(hù)密閉門，利用ANSYS／LS－DYNA軟件，對(duì)其抗爆炸沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；定量分析了該產(chǎn)品的變形、強(qiáng)度和密封性，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，大幅提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，以達(dá)到國(guó)家規(guī)范要求，保證產(chǎn)品在0.6 MPa的爆炸沖擊壓力下，各項(xiàng)指標(biāo)安全可靠。

避難硐室；救生艙；防護(hù)密閉門；抗爆結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；數(shù)值模擬

煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)是關(guān)系民生的重大問(wèn)題。煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)作為煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的核心［1］，是煤炭行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。煤礦緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)指的是在礦山井下發(fā)生煤與瓦斯突出、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)變事故后，在逃生路徑被阻和逃生不能的情況下，為避災(zāi)人員安全避險(xiǎn)提供生命保障的由避災(zāi)路線、緊急避險(xiǎn)設(shè)施、設(shè)備和措施組成的有機(jī)整體［2］。國(guó)家為了規(guī)范煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)完善，已制定了相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并限期強(qiáng)制要求所有礦山企業(yè)執(zhí)行。其中井下避難硐室、救生艙是煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的重要組成設(shè)施，而防護(hù)密閉門則是其關(guān)鍵部件。

避難硐室及救生艙的防護(hù)密閉門，需既能抵擋一定強(qiáng)度的沖擊波，又能阻擋有毒有害氣體侵入，并設(shè)置觀察窗［3］。防護(hù)密閉門高度不小于1.2 m，寬度不小于0.6 m，抗爆炸沖擊能力不低于0.3 MPa，作用時(shí)間不小于300 ms，考慮2倍安全系數(shù)，即抗爆炸沖擊能力不低于0.6 MPa。因防護(hù)密閉門屬于系統(tǒng)關(guān)鍵部位，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其變形失效為板殼最大變形撓度大于2%或變形量大于20 mm，其破壞失效為材料所受最大應(yīng)力大于材料屈服極限，其密封失效為密封要求的連接件相對(duì)位移大于1 mm［4］。

根據(jù)以上規(guī)范要求，針對(duì)某企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)的一款新型礦用防護(hù)密閉門，利用ANSYS／LS－DYNA軟件，對(duì)其進(jìn)行抗爆炸沖擊數(shù)值模擬，并針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 數(shù)學(xué)模型與原始設(shè)計(jì)模型數(shù)值分析

1.1 幾何模型

對(duì)企業(yè)提供的二維產(chǎn)品圖紙進(jìn)行實(shí)際尺寸的三維建模。防護(hù)密閉門由抗爆主體結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、隔熱結(jié)構(gòu)、手輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4個(gè)部分組成。門洞設(shè)計(jì)尺寸為1 600 mm×800 mm，門體抗爆結(jié)構(gòu)為背部加強(qiáng)筋骨架結(jié)構(gòu)。門體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 門體結(jié)構(gòu)模型

1.2 有限元模型網(wǎng)格劃分

針對(duì)已建立的三維幾何模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由此得到有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 門體有限元模型

門體有限元模型全部使用8節(jié)點(diǎn)solid單元進(jìn)行劃分，單元平均尺寸為10 mm，關(guān)鍵部位網(wǎng)格層數(shù)加密（如背部加強(qiáng)筋）。模型整體最小單元尺寸為5 mm。因不考慮焊接質(zhì)量對(duì)抗沖擊性能的影響，故所有焊接部位均采用節(jié)點(diǎn)重合的方法實(shí)現(xiàn)。

門體鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)部位使用旋轉(zhuǎn)副單元模擬。因手輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪連桿傳動(dòng)部件對(duì)門體抗爆性能無(wú)影響，故省略此部分的建模分析［5］。綜上有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為70 140個(gè)。

1.3 定義接觸

由于門板、門框與密封膠條之間，門框斜楔與鎖緊夾扣之間存在相互接觸約束關(guān)系，故需設(shè)置多組接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)相互約束。由于接觸都是solid單元的表面接觸，故選擇面面接觸來(lái)定義。門板、門框與密封條接觸面之間，粗網(wǎng)格表面定義為主面，細(xì)網(wǎng)格表面定義為從面；門框斜楔與鎖緊夾扣接觸面之間，門框斜楔網(wǎng)格表面定義為主面，鎖緊夾扣網(wǎng)格表面定義為從面［6］。

1.4 定義材料屬性

防護(hù)密閉門主體結(jié)構(gòu)采用Q345型鋼，在爆炸沖擊波作用下，其材料屬性表現(xiàn)為彈塑性本構(gòu)關(guān)系，故選擇線性彈塑性材料類型來(lái)定義，其材料密度為7.85 g／cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。

1.5 定義荷載

井下爆炸沖擊載荷一般呈指數(shù)形式衰減。為簡(jiǎn)化研究，可以把爆炸載荷簡(jiǎn)化為矩形壓力沖擊載荷［7］，或三角形載荷［8］作用于目標(biāo)表面。

本次數(shù)值模擬，將爆炸沖擊載荷簡(jiǎn)化為三角形和矩形壓力沖擊載荷。峰值壓力為0.6 MPa，作用時(shí)間為300 ms。以此載荷作用于門體有限元分析模型的門體外表面。

1.6 定義約束

由于門體系統(tǒng)安裝時(shí)，是將門框一圈焊接在硐室或救生艙骨架上，故在不考慮硐室或救生艙結(jié)構(gòu)變形的情況下，對(duì)門框與硐室或救生艙骨架搭接焊接部分的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全自由度約束，以實(shí)現(xiàn)對(duì)門體的位移約束。

1.7 原始設(shè)計(jì)模型數(shù)值分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行求解可得，在0.6 MPa的壓力下，門體Mises應(yīng)力最大值為428.7 MPa，大于材料的屈服極限345 MPa，門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合格，如圖3所示。

圖3 原始門體位移云圖和Mises應(yīng)力云圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及模型數(shù)值分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由圖3門體有限元分析結(jié)果云圖可知，應(yīng)力最大處為2、4號(hào)橫向加強(qiáng)筋，而3號(hào)橫向加強(qiáng)筋上的應(yīng)力值較小。

因此，優(yōu)化方向?yàn)榫鈶?yīng)力分布并降低應(yīng)力最大值。

3號(hào)橫向加強(qiáng)筋上的應(yīng)力較小，原因?yàn)榧訌?qiáng)筋中部斷開，應(yīng)力傳遞中斷，變形較大。因此，調(diào)整中部齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加3號(hào)橫向加強(qiáng)筋中部連接，使3號(hào)橫向加強(qiáng)筋貫穿門體橫向整體，以此疏通應(yīng)力橫向傳遞。

優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后3號(hào)橫向加強(qiáng)筋縱截面對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 3號(hào)橫向加強(qiáng)筋縱截面優(yōu)化前、后對(duì)比圖

2、4號(hào)橫向加強(qiáng)筋受拉側(cè)應(yīng)力值過(guò)大，原因?yàn)槭芾瓊?cè)鋼材薄弱。

因此，加大受拉側(cè)鋼材的用量，即使用T型截面鋼替換2、4號(hào)橫向加強(qiáng)筋原始的矩形截面鋼，以此加強(qiáng)鋼材受拉側(cè)強(qiáng)度。

優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后2、4號(hào)橫向加強(qiáng)筋橫截面對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 2、4號(hào)橫向加強(qiáng)筋橫截面優(yōu)化前后對(duì)比圖

2.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的防爆密閉門模型進(jìn)行有限元數(shù)值分析，可得，同樣在0.6 MPa的壓力下，門體Mises應(yīng)力最大值為323.8 MPa，小于材料的屈服極限345 MPa，門體強(qiáng)度合格，如圖6所示。

圖5 優(yōu)化后門體位移云圖和Mises應(yīng)力云圖

2.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度分析

門體最大變形位移值為3.635 mm，小于門板寬度的2%（18 mm）和加強(qiáng)筋長(zhǎng)度的1.5%（11.5 mm），門體滿足剛度要求。

2.4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)密封性分析

門體密封連接件相對(duì)位移測(cè)量點(diǎn)位置分布如圖7所示。測(cè)量各點(diǎn)阻燃密封圈處的密封性，即測(cè)量連接件咬合處兩者之間的相對(duì)位移變化值，其中2、6號(hào)測(cè)量點(diǎn)結(jié)果如圖8所示。

由各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位移時(shí)程圖可知，密封部位連接件最大相對(duì)位移為0.35 mm，出現(xiàn)在2、6號(hào)測(cè)量點(diǎn)附近，均小于 “標(biāo)準(zhǔn)”要求的1 mm，門體滿足密封要求。

圖7 門體密封部位相對(duì)位移測(cè)量點(diǎn)位置分布

圖8 2、6號(hào)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位移時(shí)程圖

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的防護(hù)密閉門，各項(xiàng)分析指標(biāo)均大幅優(yōu)于優(yōu)化前，防護(hù)密閉門可滿足強(qiáng)度、剛度和密封性能要求，結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的防護(hù)密閉門，門體迎爆面所受最大沖擊波壓力為0.6 MPa時(shí)，防護(hù)密閉門可滿足強(qiáng)度、剛度和密封性能要求，結(jié)構(gòu)安全可靠；抗爆結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋應(yīng)保持連續(xù)性，中部不可斷開，以達(dá)到應(yīng)力均衡分布；T型截面加強(qiáng)筋在抗彎性能方面大幅優(yōu)于矩形截面加強(qiáng)筋，故在以加強(qiáng)筋骨架結(jié)構(gòu)作為抗爆結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)先采用T型截面加強(qiáng)筋。

［1］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局.國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知［EB／OL］.（2010－08－26）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2010／0826／105907／content－105907.htm.

［2］楊大明.煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（11）：6－9.

［3］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局.煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定的通知［EB／OL］.（2011－01－27）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2011／0127／122344／content－122344.htm.

［4］國(guó)家煤礦安監(jiān)局科技裝備司.征求《煤礦可移動(dòng)式硬體救生艙通用技術(shù)條件（征求意見稿）》修改意見的通知［EB／OL］.（2011－09－14）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2011／0914／148421／content－148421.htm.

［5］高 娜，金龍哲，尤 飛，等.礦井避難硐室防火防爆密閉系統(tǒng)研究與試驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，34（1）：132－136.

［6］張 鵬，周德源.基于ANSYS／LS－DYNA的護(hù)欄沖擊模擬分析精度研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2008，27（4）：147－152.

［7］Chung Kim Yuen S.Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.PartⅠ：subjected to uniform blast load［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，31（1）：55－83.

［8］戴佑斌，周早生，張尚根.爆炸沖擊荷載作用下方艙的極限承載力計(jì)算與加固分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2006，25（3）：127－130.

Numerical simulation and optimal structure design of blast－loaded airtight blast door

LI Bo1， MENG Yi－ping1， LU Wen－long2

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Tianchang City Ocean Shipping Equipment Co.，Ltd.，Tianchang 239300，China）

As the critical component of coal mine emergency refuge system，airtight blast door must satisfy high quality requirements.In this paper，the software ANSYS／LS－DYNA is employed to simulate the blast－resistant properties of a developed airtight blast door.The quantitative analysis of its deformation，strength，airtightness as well as the optimal structure design is conducted.As a result，the performance indexes of this airtight blast door are greatly improved and reach national norms，and every index is safe and reliable under the blast load of 0.6 MPa.

refuge chamber；rescue capsule；airtight blast door；blast－resistant structure；optimal structure design；numerical simulation

TD774

A

1003－5060（2015）02－0222－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.018

2014－02－11；

2014－04－18

李 博（1987－），男，山東濟(jì)南人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

孟益平（1964－），男，江蘇句容人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 張淑艷）