矿用救生舱整体结构设计及抗爆性能研究

发布时间：2017-05-04 04:08

  本文关键词：矿用救生舱整体结构设计及抗爆性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国作为煤产大国,由于地理条件的约束,井下生产时不幸引发的煤矿事故始终居于世界之首。近几年,事故预防和灾后避险救援已成为十分紧要的研究课题,其中紧急避险系统更是各专家学者关注的焦点。可移动式救生舱是工作人员被困在巷道中用以避难的相对密闭空间,其安全性能会直接影响被困人员的生命,因此救生舱整体结构设计及抗爆性能的研究具有相当重要的价值。本文首先围绕可移动式救生舱结构/功能一体化需求,提出了舱体结构设计的基本步骤,结合井下的具体特点,初步确定了舱体结构形式,利用三维建模软件UG NX8.0,概念化设计了救生舱几何模型;其次,ANSYS WORKBENCH中的Explicit dynamics模块和Autodyn显式动力学分析软件联合,建立了流-固耦合仿真平台,结合TNT当量法,对设有救生舱的巷道中瓦斯爆炸冲击波传播过程进行了数值模拟;最后,以该救生舱为分析对象,在Ansys Workbench的显式动力学模块中模拟了救生舱在超压载荷作用下的整体动力学响应过程。本文初步设计救生舱时,计算了动载系数,将动载荷转变为了静载荷,以此作为许用外压力,对内外蒙皮厚度和螺栓进行了计算,并对加强筋、前后门系统进行了设计,其中加强筋采用了45°斜置式;在巷道爆炸仿真中采用了97.8 kg、91.28 kg和78.24 kg三种TNT炸药量,对不同药量下的超压曲线进行了分析对比,并最终选用78.24 kg TNT药量下救生舱各表面的爆炸冲击波超压曲线作为载荷施加条件;对救生舱整体抗爆性能有限元分析后,获得了各部位的应力、变形分布规律,依据判断准则检查了整舱的安全性。结果表明,救生舱整体变形量最大为18.78mm,符合安全准则范围;救生舱前门系统、后门系统、法兰、外蒙皮绝大部分的最大应力均小于所选材料的屈服强度,骨架部分有应力集中问题,可能会导致屈服失效。本文以爆炸冲击波对巷道中障碍物的破坏机理为理论基础,研究了救生舱与其耦合作用,并分析了所设计的救生舱在冲击作用下的整体安全性能,此结果可对进一步的救生舱改进和关键部件校核提供参考和依据。
【关键词】：救生舱 结构设计 超压曲线 动态响应 流固耦合
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD774
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及研究意义11-12
• 1.2 井下紧急避险系统概述及矿用救生舱研究动态12-16
• 1.2.1 井下紧急避险系统12-13
• 1.2.2 国内外救生舱研究现状13-16
• 1.3 瓦斯爆炸理论及研究现状16-18
• 1.3.1 瓦斯爆炸研究16-17
• 1.3.2 巷道障碍物对巷道瓦斯爆炸影响的研究17-18
• 1.4 救生舱的设计及抗爆性能数值模拟研究现状18-21
• 1.4.1 救生舱表面载荷研究及整体设计研究18-19
• 1.4.2 救生舱局部设计研究19-21
• 1.5 本文研究内容及技术路线21-25
• 1.5.1 本文研究内容21-22
• 1.5.2 设计可移动式救生舱的技术路线22-25
• 第二章 可移动式救生舱的整体结构设计25-39
• 2.1 可移动式救生舱概述25-26
• 2.1.1 矿用救生舱简介25
• 2.1.2 可移动式救生舱的组成及功用25-26
• 2.1.3 可移动式救生舱的设计要求及技术指标26
• 2.2 可移动式救生舱主要尺寸设计26-36
• 2.2.1 救生舱形状及尺寸设计27-29
• 2.2.2 救生舱内外蒙皮厚度计算及加强筋设计29-34
• 2.2.3 救生舱前后门系统设计34-35
• 2.2.4 救生舱法兰设计及法兰紧固螺栓计算35-36
• 2.3 救生舱的整体三维模型建立36-38
• 2.4 小结38-39
• 第三章 爆炸模型建立及冲击波载荷计算39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 瓦斯爆炸基本理论及TNT当量计算39-41
• 3.2.1 瓦斯爆炸理论39-40
• 3.2.2 爆炸要求40
• 3.2.3 TNT当量数值计算40-41
• 3.3 巷道模型建立及冲击波载荷计算41-45
• 3.3.1 ANSYS AUTODYN简介41-42
• 3.3.2 救生舱有限元模型42-43
• 3.3.3 巷道及炸药有限元模型43-44
• 3.3.4 材料参数与状态方程44-45
• 3.3.5 分析设定45
• 3.4 数值模拟结果与分析45-51
• 3.4.1 不同TNT药量下迎爆面爆炸超压45-47
• 3.4.2 78.24kgTNT药量下巷道压力云图结果47-49
• 3.4.3 救生舱各表面超压曲线49-51
• 3.5 小结51-53
• 第四章 救生舱整体抗爆性能研究53-77
• 4.1 引言53
• 4.2 救生舱有限元计算模型53-61
• 4.2.1 Ansys Workbench分析模块选择53-54
• 4.2.2 救生舱几何模型54-55
• 4.2.3 网格划分55-59
• 4.2.4 材料参数59-60
• 4.2.5 载荷及边界约束条件60-61
• 4.3 计算结果与分析61-75
• 4.3.1 救生舱整体响应结果62-66
• 4.3.2 前门响应结果66-68
• 4.3.3 后门系统结果68-70
• 4.3.4 法兰结果70-72
• 4.3.5 外蒙皮结果72-75
• 4.4 小结75-77
• 第五章 全文总结与工作展望77-79
• 5.1 工作总结77-78
• 5.2 研究的不足与展望78-79
• 参考文献79-85
• 致谢85-87
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果87

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本文编号：344348