矿用救生舱结构抗爆与抗热冲击性能研究

发布时间：2017-04-24 15:02

  本文关键词：矿用救生舱结构抗爆与抗热冲击性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤矿瓦斯爆炸是瞬间破坏力巨大、且易发生二次爆炸的严重事故,造成人员伤亡严重。为此,在继续深入研究事故预防措施的同时,矿山重大灾害应急救援技术成为关注的焦点,其中紧急避险系统及其安装技术就是重点研究的内容,而矿用移动式救生舱以其移动性强、启动时间短、安装简单的特点作为紧急避险系统研究对象之一。 救生舱作为矿工躲避灾害、获得逃生的一种重要装备,其结构强度,密封可靠性,抗热冲击性能直接影响着矿工的生命安全。而瓦斯爆炸产生强大的冲击波会使救生舱的结构发生一定程度的塑性变形,甚至发生倾倒和扭曲,破坏严重时将失去保护作用,同时伴随爆炸的热冲击会使舱体内部温度瞬间升高。要保证救生舱应有的保护功能,则必须使其在爆炸冲击作用下结构不发生破坏,密封部位不发生泄漏,以及舱体具有抵抗瞬间高温冲击的能力。为了研究舱体的安全可靠性,必须以真实巷道中爆炸冲击波的产生、传播、以及对所遇障碍物的破坏机理为基础,分析冲击波在舱体周围的压力幅值与规律,分析舱体与空气冲击波的耦合作用。 本文利用非线性显式动力学分析软件LS-DYNA,建立爆源、空气巷道及简化救生舱的三维有限元模型。爆源和空气采用ALE单元,舱体结构采用LAGRANGE单元,保证爆源产生的冲击压力满足100m外救生舱所需峰值载荷要求,考虑了救生舱作为障碍物对冲击波传播的影响,通过一点多物质ALE流固耦合算法,模拟得到爆炸冲击波在巷道中的传播过程、瓦斯爆源的TNT当量,以及舱体周围的压力-时间曲线。 以某型分节组装式硬体救生舱为分析对象,将上述流固耦合模拟得到的真实爆炸冲击载荷曲线分别加载到舱体不同的面,分析了救生舱结构在爆炸载荷作用下产生的应力及变形,以Mises屈服准则给出了等效应力、等效塑性应变的时程曲线、变形分布云图,并找到最大应力与最大变形出现位置,依据判定准则评判了舱体结构是否受到破坏,校验本型号救生舱在爆炸载荷作用下的安全性和可靠性。结果表明,舱体迎爆门系统及其上的观察窗防爆玻璃、合页、门框均符合安全标准；骨架法兰处有应力集中导致塑性变形；外层钢板在整个冲击过程中产生强烈弹性振动,其等效应力小于材料屈服强度,但最大弹性变形超过安全准则范围,属于刚度不足；后门系统虽未破坏失效,但其变形过大导致逃生门密封失效,也属于刚度偏弱。 最后以一节舱体为研究对象应用ABAQUS热分析模块研究其抵抗瞬时高温冲击性能,将900℃高温热流加载到舱体外表面,加载时间为120s,获得了舱体外表面、隔热层、以及内表面各区域温升曲线,给出了舱体结构上的温度分布云图,并对舱体的高温冲击热应力进行了分析,最后以安全评价准则判定了舱体抗瞬时高温热冲击性能满足安全要求。以上所得到的结果为救生舱的设计以及优化改进提供了很好的依据。
【关键词】：爆炸冲击 矿用救生舱 流固耦合 动态响应 高温冲击
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD774
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 煤矿瓦斯爆炸机理及特性10-13
• 1.2.1 瓦斯爆炸机理研究现状10-11
• 1.2.2 瓦斯爆炸实验国内外研究现状11-13
• 1.3 紧急避险系统与矿用救生舱概述13-19
• 1.3.1 紧急避险系统13-14
• 1.3.2 矿用救生舱14-19
• 1.4 矿用救生舱抗爆性能的研究现状19-20
• 1.5 本文主要研究内容20-22
• 第二章 矿用救生舱抗爆炸TNT当量与冲击载荷22-36
• 2.1 数值模拟方法与工具概述22-25
• 2.1.1 有限元理论介绍22-23
• 2.1.2 显式动力学程序LS-DYNA介绍23-25
• 2.2 瓦斯爆炸的数学模型25-27
• 2.3 爆源当量计算27-28
• 2.3.1 爆源与巷道的基本条件27
• 2.3.2 瓦斯爆源的TNT当量计算27-28
• 2.4 计算模型与计算方法28-31
• 2.4.1 巷道及爆源的有限元模型28-29
• 2.4.2 救生舱的简化有限元模型29
• 2.4.3 材料参数与状态方程29-31
• 2.5 计算结果及分析31-35
• 2.6 本章小结与讨论35-36
• 第三章 矿用救生舱抗爆性能的数值模拟36-61
• 3.1 引言36-37
• 3.2 计算模型的建立37-43
• 3.2.1 三维几何模型37-39
• 3.2.2 有限元模型网格划分39-41
• 3.2.3 材料参数41-42
• 3.2.4 边界与约束条件42
• 3.2.5 载荷施加42-43
• 3.3 模拟结果与分析43-58
• 3.3.1 救生舱整体结构的响应结果43-50
• 3.3.2 前后门系统的计算结果50-55
• 3.3.3 板壳部分计算结果55-58
• 3.4 本章小结58-61
• 第四章 矿用救生舱舱体抗热冲击性能分析61-69
• 4.1 引言61-62
• 4.2 计算模型与计算方法62-64
• 4.2.1 有限元模型62-63
• 4.2.2 边界与约束条件63
• 4.2.3 热冲击载荷施加63-64
• 4.3 模拟结果与分析64-68
• 4.3.1 舱体温度场分布64-66
• 4.3.2 舱体热应力结果66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 全文总结与工作展望69-73
• 5.1 全文总结69-71
• 5.2 工作展望71-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间的主要研究成果78

【参考文献】

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本文编号：324409