防爆門抗爆性能數(shù)值分析

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(簡稱防爆門)是礦井作業(yè)規(guī)避事故的重要安全裝備。本文根據(jù)防爆門的設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)模型建立了有限元仿真分析模型，采用顯式非線性動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：防爆門的聯(lián)接零件間無塑性變形；門體結(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；沒有產(chǎn)生局部斷裂、裂縫等破壞形式；防爆門的各零件的聯(lián)接位置的位移變化小于1 mm；門體的密封性能良好；符合防爆門的剛度需求。防爆門的結(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(簡稱防爆門)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)裝備的研究熱點之一，對提升我國煤礦安全生產(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)值計算方法，通過將爆炸的動載荷轉(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，通過加強(qiáng)筋的固定作用強(qiáng)化艙體，通過數(shù)值計算了移動式救生艙的強(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)的自動隔離門不同外界環(huán)境下的應(yīng)力應(yīng)變情況。吳廣明等[7]通過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)生的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，建立了動態(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)上通過結(jié)構(gòu)動力分析的方式系統(tǒng)研究了煤礦的避難硐室中的密閉門在爆炸載荷作用下的受力及變形情況。

本文針對防爆門的設(shè)計和結(jié)構(gòu)模型，采用顯式非線性動力分析方法，通過建立有限元仿真模型，數(shù)值分析防爆門抗爆性能響應(yīng)。

防爆門的設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)模型

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

圖1 防爆門的整體式結(jié)構(gòu)(單位，mm)

防爆門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)、門板焊件等零件；防爆門傳動結(jié)構(gòu)采用Q235鋼來保證部件的剛性及穩(wěn)定性；門體中的把手結(jié)構(gòu)采用ZG45；門體中主要零件的聯(lián)接部件，如螺母、螺栓、銷釘、墊片、鋼蓋、螺母等均使用材料304不銹鋼；通過鉚釘鉚接304不銹鋼表面拉絲板作為外觀門板；防爆門的觀察結(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。建立防爆門的三維模型如圖2所示。在防爆門實際加工過程中，通過門栓將門框固定起來，門框通過鉸鏈來聯(lián)接，因此在數(shù)值仿真中將防爆門設(shè)定為固定約束[9]。

防爆門需要擁有一定的抗爆壓力才能滿足防護(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 防爆門結(jié)構(gòu)模型

有限元仿真分析模型

防爆門的數(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體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力破壞及應(yīng)變變形。防爆門門體的位移變形是非線性變化的，因此在數(shù)值仿真中采用ANSYS軟件中的顯式非線性動力模塊——LS-DYNA分析模塊來進(jìn)行分析，研究防爆門在爆炸環(huán)境下的變形情況及抗爆性能。

仿真模型

單元類型的選擇

為了提高防爆門抗爆性能的模擬準(zhǔn)確性與理論計算求解的正確性，需要根據(jù)防爆門的實際尺寸進(jìn)行建模，對防爆門主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的同時，需要合理簡化門體的一些部件，便于研究防爆門在爆炸沖擊波下的形變情況，這便需要對仿真的單元類型進(jìn)行合理選擇[11]。考慮到防爆門的結(jié)構(gòu)及計算需求，在ANSYS軟件的模塊程序LS-DYNA中，選擇實體單元與彈簧阻尼單元作為仿真單元類型。在單元類型的選擇中，主要針對防爆門的門體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真處理，采用軟件中的SOLID 164實體單元對門體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的網(wǎng)格劃分，采用軟件中的COMBI 165彈簧阻尼單元對門體的銷釘、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

防爆門門體的結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，需要對不同的表征參數(shù)進(jìn)行多次實驗研究，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：門體的劃分的最大單元為25 mm，門體上零件聯(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，對門體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的單元共135766個，如圖3所示。

圖3 防爆門數(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)

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

根據(jù)防爆門設(shè)計中各零部件的材料選擇，防爆門的主要材料為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

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

邊界條件

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

初始條件

通過防爆門的結(jié)構(gòu)模型可知，門體的整體結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊波后，防爆門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)域相對防爆門的整體結(jié)構(gòu)幅度非常小，對網(wǎng)格劃分的精度無明顯影響。數(shù)值仿真選擇拉格朗日算法，該方法能夠直觀處理物質(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]。

防爆門在爆炸環(huán)境的作用下可能會受到?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)值計算中將沖擊波的最大峰值壓力為1.0 MPa，沖擊波壓力與時間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 防爆門所受沖擊波壓力與時間的關(guān)系曲線

防爆門整體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

當(dāng)爆炸沖擊波作用在門體結(jié)構(gòu)上時，設(shè)定門體結(jié)構(gòu)所受的沖擊壓力持續(xù)300 ms，防爆門的壓力峰值為0.6, 1 MPa，仿真中的計算時間為400 ms。通過ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，通過數(shù)值仿真分析防爆門結(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)變云圖體現(xiàn)。為了保證防爆門良好的剛性結(jié)構(gòu)，梁柱的最大變形量不能超過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)接件相對位移應(yīng)小于1 mm。

防爆門整體應(yīng)力分析

根據(jù)防爆門整體網(wǎng)格劃分，仿真計算后提取應(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，防爆門受到的應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在門體的各聯(lián)接位置，計算時間為350 ms時，迎爆面所受的沖擊壓力達(dá)到了339.3 MPa?？梢姡跊_擊波持續(xù)300 ms的時間內(nèi)，門體結(jié)構(gòu)承受了兩種載荷與沖擊波的壓力。從圖中可知，門體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力沒有超過材料的屈服極限，符合材料的強(qiáng)度需求。

等效塑性應(yīng)變分析

防爆門門體在兩種外界載荷的作用下，門體加強(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)力的變化曲線如圖6所示。

塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)在最后時刻，提取該時刻在波峰為0.6, 1.0 MPa兩種載荷下塑性應(yīng)變云圖如圖7所示，防爆門門體整體未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。

門體位移情況分析

防爆門的門體位移形變情況如圖8所示，當(dāng)門體在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?？梢?，防爆門在承受波峰為0.6, 1.0 MPa，持續(xù)300 ms三角形沖擊波時，防爆門的門體的最大位移變形量不超過10 mm。對其進(jìn)行可靠性分析，防爆門各零件無裂縫及破壞現(xiàn)象產(chǎn)生，符合防爆門的剛性要求，能夠保證防爆門安全的防護(hù)性能。

由防爆門整體位移場分析可知，防爆門的位移變形量最大時刻門體最大位移值在第13588、第23769兩個節(jié)點處取得，分別提取兩個節(jié)點處的位移與時間關(guān)系曲線即δ-t曲線，如圖9所示。

圖5 防爆門整體應(yīng)力場

防爆門門板聯(lián)接處的密封位置設(shè)置有3 mm厚的密封條，當(dāng)防爆門在作用時間300 ms內(nèi)所受的沖擊壓力峰值為0.6 MPa時，防爆門顯著點的位移變化如圖10所示?？梢钥闯?，防爆門上的聯(lián)接零部件的最大位移變化數(shù)值為0.02 mm，出現(xiàn)在防爆門側(cè)方中部的聯(lián)接位置處。防爆門門板聯(lián)接處的密封位置最大位移未超出1 mm，因此不會發(fā)生密封失效。

圖6 防爆門應(yīng)力達(dá)到最大值單元σ-t曲線

圖7 門體結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變場變化

圖8 防爆門整體位移場

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

防爆門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

防爆門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

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

防爆門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移分析

在0.6, 1.0 MPa兩種波峰載荷下，防爆門腔內(nèi)零部件的結(jié)構(gòu)位移形變?nèi)鐖D11所示，門體腔內(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。作用時間在70 ms時，位移變化達(dá)到了1.706 mm，作用時間在210 ms時，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，防爆門腔內(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，防爆門腔內(nèi)零件結(jié)構(gòu)的位移變形范圍在0～3.461 mm，門體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移變化小于10 mm，沒有出現(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的門體結(jié)構(gòu)上時，門體的位移變形極小，門體的密封性能不受其影響，不影響防爆門安全的使用性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞失效，滿足所需的剛度要求。

防爆門抗爆性能數(shù)值分析結(jié)果

防爆門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)計結(jié)果如表3所示。

圖9 防爆門整體位移達(dá)到最大值的節(jié)點位置δ-t曲線

根據(jù)表3，沖擊波波峰壓力為0.6 MPa防爆門整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的最大值為169.6 MPa，對應(yīng)的位移變形量的最大值為1.706 mm，門體結(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下防爆門整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的最大值為339.3 MPa，對應(yīng)的位移變形量的最大值為3.461 mm，門體內(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防爆門顯著點的位移變化

結(jié)束語

利用顯式非線性動力分析方法，通過仿真分析得出：防爆門的整體結(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；門體門板及加強(qiáng)筋零部件沒有出現(xiàn)塑性變形等情況，最大位移變形量不超過10 mm，沒有出現(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；防爆門中各零部件的相對位移變化小于1 mm，說明防爆門的密閉性能較好；防爆門無失效零部件，能夠保持完整，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度達(dá)到安全要求。在煤礦井下實際應(yīng)用中防爆門抗爆性能良好，說明防爆門結(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防爆門聯(lián)接零部件顯著點相對位移數(shù)據(jù)表

圖11 防爆門內(nèi)腔結(jié)構(gòu)位移場

表3 防爆門數(shù)值分析統(tǒng)計結(jié)果