地下救生艙筋間穩定性分析及結構優化

徐仁朋

摘 要：地下救生艙是用于人員地下逃生和避難以及等待救援的一種安全逃生裝置。地下及井礦工作環境非常復雜，潛在性危險較多，當發生瓦斯或者灰塵爆炸時，對救生艙的破壞特別大，因此對救生艙的結構要求極高。加強筋作為救生艙最重要的部件，對救生艙起到支撐作用，其穩定性直接影響救生艙的防爆性能，因此對救生艙結構性能的分析校核研究成為一個不可缺少的環節。

關鍵詞：救生艙;穩定性;優化設計;加強筋

中圖分類號：TD774文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0054-04

Abstract： The underground rescue capsule is a kind of safe escape device used for underground escape， refuge and waiting for rescue. The working environment of underground and underground mine is very complex， and there are many potential dangers. When gas or dust explosion occurs， the damage to the rescue capsule is particularly large， so the structure requirements of the rescue capsule are very high. As the most important part of the rescue capsule， the stiffener plays a supporting role in the refuge chamber， and its stability directly affects the explosion-proof performance of the refuge chamber. Therefore， the analysis and verification of the structural performance of the rescue capsule has become an indispensable link.

Keywords： rescue capsule;stability;optimum design;reinforcent

1 KJYF-96/8型救生艙的結構

1.1 艙體結構

KJYF-96/8型地下救生艙由過渡艙、生存（逃生）艙、設備艙三個主要艙體構成[1]。其中，過渡艙內有耐壓密封門，自動、手動泄壓閥，壓縮空氣、噴淋等逃生設備裝置，其有效容積≥2.0 m3;生存（逃生）艙壁上設有觀察窗和應急逃生門，當前艙門出現故障，無法正常開關，人員能夠借此逃生，生存艙提供的生存空間≥1.0 m3/人;設備艙內放置各種逃生設備裝置，為避免艙內設備泄露、異常時危及救生艙其他部位，采用密封門使其與其他艙體進行相對隔離，同時，艙后端也設置有耐壓密封門，在緊急情況下逃生門、各艙門板全部無法開啟時，人員可通過此門逃生[2]。救生艙艙體外觀如下圖1所示。

1.2 KJYF-96/8型救生艙三維實體建模

新鄉市錦隆重工機械股份有限公司生產的KJYF-

96/8型可移動式硬體救生艙[3]為分體組裝式。其基本尺寸為：過渡艙長度1.2 m，生存（逃生）艙長度3.6 m，設備艙長度3.9 m，艙體厚度12 mm?；九擉w由法蘭螺栓相聯接，兩端法蘭板與鋼板采取焊接方式聯接，各節間由M16螺栓聯接。艙體內、外的加強筋為5號槽鋼，底盤的加強筋為8號槽鋼，底盤滑靴為10號槽鋼，救生艙艙體底盤滑靴與滑軌配合放置。KJYF-96/8型救生艙部分模型圖如圖2所示。

2 KJYF-96/8型救生艙的穩定性

2.1 穩定性介紹

在現代材料力學中，穩定性的基本定義為：穩定性是指結構或構件保持原有平衡狀態的能力。構件和機械零件必須嚴格地符合穩定性中的如下要求：第一，不能使構件發生變形或斷裂，即構件滿足工程上的強度要求;第二，彈性變形應不超出允許的范圍，即構件具有足夠的剛度;第三，在原有形狀下的平衡應是穩定平衡，也就是構件本身不會因突然斷裂而失去穩定性。

各構件不僅要滿足強度、剛度的要求，還要保障結構不會突然失穩。實際工程中，一些細長的構件承受壓力，可能突然變彎而失去承載能力，這種現象便是失穩。在SolidWorks Simulation[4]中，屈曲分析可以為細長結構的穩定性問題作模擬分析。屈曲是指在壓力作用下的突然大變形。細長結構的物體受到一個軸向壓縮載荷的作用，能在遠小于引起材料失效的載荷下發生屈曲失效，如果結構越細或者越長則越容易發生屈曲導致構件失穩。

2.2 救生艙穩定性分析

針對本次設計的簡化模型，在SolidWorks軟件中選定Simulation插件進行模擬仿真分析。

2.2.1 單元類型的選擇。分析單元的選擇在Simulation算例中直接影響著模擬仿真運算的準確性。此次算例中的單元類型為梁單元、薄殼單元。

2.2.2 單位制的選擇。長度單位：mm;質量單位：g;壓力的單位：MPa。

2.2.3 定義材料屬性。救生艙的艙體、艙體門板、加強筋等材料皆采用Q235鋼。

2.2.4 定義接觸。屈曲算例為混合網格，存在梁單元和薄殼單元。艙體面殼單元與各艙門及法蘭殼單元間需要定義局部接合接觸。

2.2.5 劃分網格。劃分網格對有限元模型計算的精度和規模將產生直接影響。對模型中的每個部件進行網格劃分。艙體及各門板采用薄殼單元劃分，加強筋采用梁單元進行劃分。

本次分析根據實際條件，劃分的單元大小為80 mm，劃分網格及參數如圖3、4所示。

2.2.6 設置邊界條件。艙體與加強筋的接觸類型：接合;救生艙與巷道底面的接觸類型：固定節點。

2.2.7 進行加載。在爆炸沖擊波作用下，救生艙主要發生彈塑性變形。此次模擬對除艙體底部面以外的五個面共同加載：兩端載荷為1.2 MPa，除底面外的其他三個面承受0.6 MPa的載荷，如圖5所示。

2.2.8 運行分析及結果。從圖6可以看出，在屈曲模式1的情況下，設備艙尾部出現了大的變形趨勢，此時計算出的屈曲載荷因子（安全系數）為7.117 3>1。該數值表明，在此條件下，不會發生屈曲失穩現象。

在此，值得說明的是分析結果圖解中的形狀變化并不是真實的情況，它僅僅表示一種屈曲的形態和趨勢，其位移的數值也不代表真實的位移。位移圖解可以理解為結構在假定屈曲失效時變形的情況。

加強筋作為艙體的主要支撐結構，涉及框架的失穩問題，這類問題相對復雜，因此有必要研究更高階的屈曲模式。

在屈曲模式2下仍然是設備艙的尾部發生大變形，導致屈曲失效，與模式1不同的是其趨勢是向內側凹入，見圖7。此時的載荷因子為7.423 4>1，不會發生屈曲失穩。

模式3下的載荷因子為8.042 8>1，沒有屈曲的危險，如圖8所示。

模式4下屈曲載荷因子為8.213 3>1，沒有屈曲的危險，如圖9所示。

在此次模擬仿真條件下，KJYF-96/8可移動式救生艙不會發生屈曲失穩，其屈曲載荷因子（安全系數）均大于1。結果顯示，該救生艙可以承受7～8倍的已加載荷。當然這個數值僅在有限元模型與實際情況一致時才成立，任何載荷施加的缺陷和對加強筋對稱性的偏離都會使屈曲載荷因子降低，因此屈曲分析的結果是非保守性質的。

3 救生艙的優化設計

由于屈曲分析的結果是非保守性質的，在現實中許多條件的改變都有可能降低屈曲載荷因子。

對于一個構件來說，先屈曲還是先屈服也是個值得探討的問題。通常我們會用應力安全系數與屈曲安全系數作比較，較小的值所對應的失效形式將導致零件失效。因此，希望改善救生艙的結構來提高其屈曲載荷因子。

3.1 改變加強筋的布局

在未優化的原模型中，原加強筋之間的橫向間隔大約為450 mm?，F在將加強筋的橫向布局間隔設定為350 mm。改變布局后，模式1下的屈曲載荷因子為10.091，相比較之前有所改善。模式2下載荷因子為10.326，也較之前有所改善。

優化加強筋的布局，如在條件允許的情況下，適當地使加強筋的結構緊湊，可以提高其構件的屈曲載荷因子。

3.2 添加泡沫鋁材料優化艙體性能

泡沫鋁是一種新型工業材料，由純鋁或鋁合金中加入添加劑后經過發泡而成，其質量較輕，減震緩沖性能好。本研究嘗試在艙體內側設置部分泡沫鋁夾層。在屈曲算例的殼體單元中定義25 mm厚的泡沫鋁復合單元后運行算例并觀察結果。模式1下新的屈曲載荷因子為9.219 1。由上述數值來看，在條件允許的情況下，添加泡沫鋁材料有助于提高救生艙的屈曲載荷因子。

4 結論

本文從KJYF-96/8型救生艙的實際應用背景出發，結合發展現狀，運用三維軟件仿真出其在地下的救援情況，在現有的條件下對救生艙的骨架結構、加強筋的穩定性進行了模擬仿真，并計算出各個有可能發生的屈曲模式和與其對應的屈曲載荷因子，并對其進行了優化分析。本文得出的主要結論如下。

①救生艙的1—4種屈曲模式下的屈曲載荷因子分別為7.117 3、7.423 4、8.042 8、8.213 3。

②通過對其加強筋布局的優化設計，得到模式1和模式2下的新的屈曲載荷因子分別為10.091和10.326。在一定程度上增加了救生艙的屈曲安全系數。

③通過在艙體內板空間內添加泡沫鋁材料，計算模式1下新的屈曲載荷因子為9.219 1。在一定程度上增加了救生艙的屈曲安全系數。

參考文獻：

[1]孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究[J].煤炭學報，2011（5）：713-717.

[2]范江東，靳宇暉.礦用救生艙的初步研究[J].機械管理開發，2012（4）：39-46.

[3]黃成才.煤礦礦井避險硐室設計淺析[J].安全生產與監督，2011（2）：13-34.

[4]陳超祥，葉修梓.SolidWorks Simulation基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2010.