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煤矿井下可移动式救生舱舱体
抗爆炸冲击性能数值模拟分析规范
(征求意见稿)
1前言
本规范由安标国家中心组织有关专家研究提出。起草过程中,得到北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室、中安金力(北京)安全生产技术研究院、哈尔滨工业大学等单位专家的大力支持。
本规范规定了煤矿井下用可移动式救生舱舱体抗爆炸冲击性能数值模拟分析的基本条件、方法、步骤、判别准则及分析报告的相关要求。
本规范适用于煤矿井下可移动式救生舱舱体整体结构抗爆冲击性能分析,不适用于救生舱内部设备性能分析及软体式救生舱软体展开部分的抗爆冲击性能分析。
2 基本依据
《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》(安监总煤装〔2011〕15号),2011年1月25日。
3 主旨思想
通过数值仿真模拟井下***煤尘爆炸在井巷中产生的流场载荷,将该流场载荷作为救生舱结构动力响应分析的载荷条件。
按舱体实际结构尺寸进行建模,保留主体结构特征,细小部件做合理简化,进行整舱强度分析。
细化舱体重点部位,细小部件按实际结构建立计算模型,进行重点部位强度、密封性分析。
4 基本条件
爆源条件
数值模拟分析中,载荷来源于瞬时爆轰爆源。爆源初始体积200m3,爆源瞬时爆轰压力以在距离爆源100m处产生救生舱所要求的抗爆压力(流场载荷,下同)为初始值,用以模拟计算瞬时爆轰爆源产生的冲击波在井巷中的传播及对救生舱的冲击作用。抗爆压力由救生舱产品制造方提出,但不小于2×(2为安全系数)。
井巷条件
选取典型巷道条件:半圆拱型,尺寸如图1所示;等截面直巷道;长度包括爆源段28m,冲击波传播段100m,救生舱长度,后端长度(大于救生舱长度)。
救生舱布置位于巷道水平方向几何中心。
图1 巷道截面尺寸与救生舱布置
救生舱条件
救生舱为实际产品,由制造方提供产品结构完整图纸和全部材料的型号规格等。
救生舱安装条件
依据制造方提供的救生舱的实际固定方式,可采用固定连接(如舱底与巷道刚性连接)或简支方式连接(如舱底与巷道采用铰链或铆索连接),
连接方式和连接点个数及连接部位应与实际检测或使用安装情况完全一致。
数值模拟软件
AUTODYN或LS-DYNA。
5 数值模拟分析方法
模型设计

巷道断面节点尺寸<200mm,轴向节点尺寸<200mm,单元为六面体,出口端采用流出边界,其它边界均采用刚性固壁边界。

巷道一端28m内产生高压气体,爆源初始体积200m3;气体初时压力满足100m处产生的冲击压力为救生舱检测所要求的抗爆压力。
救生舱舱体模型
救生舱整体结构模型:依据舱体实际尺寸进行建模,保留主体结构特征,细小部件做合理简化,对舱体主体结构的实体梁柱采用实体单元,空心梁柱采用壳单元,板壳结构采用壳单元,整体尽量采用结构化网格。实体梁柱截面每边网格≥2排;壳单元网格尺寸不小于壳体厚度的5倍,同时不大于壳体厚度的20倍。
重点部位模型:取舱体重点部位及其周围区域,对区域内细小构件按实际结构建立计算模型。,该区域内如遇有边界,以边界为准。
材料选取弹塑性非线性本构模型。
舱体与巷道连接模型
根据制造方提供的救生舱与巷道固定方式,采用固定连接(如舱底与巷道刚性连接)或简支方式连接(如舱底与巷道采用铰链或铆索连接)。
数值分析计算
舱体载荷计算
依据巷道模型、爆源模型和救生舱刚性模型,计算舱体所受载荷。
载荷记录区域:舱体外表面。
载荷记录时间:冲击波进入记录区域前端至传出记录区域末端时间和记录区域末端处流场载荷衰减至其最大载荷10%的时间。
舱体结构响应计算
将计算舱体所受载荷加载于舱体,可采用单面多区域加载方式,单区域尺寸不大于单节舱体表面尺寸,载荷选取区域中最大载荷。
通过模拟分析计算,得到救生舱梁、柱、板等强度、刚度等结果。达到失效标准时,数值模拟分析工作结束。
重点部位响应计算
在舱体整体结构响应分析满足强度、刚度要求后,对救生舱重点部位,包括门系统(含门扇、门框、门闩、门轴、手柄或手轮等)、观察窗、舱段间连接部位和其他可能影响救生舱使用的特殊部位,做进一步的刚度、密封性模拟分析。
结果输出
救生舱整体结构应力、应变和位移云图;各个重点部位应力、应变和位移云图;失效部位应力、应变和位移云图;典型节点及失效点应力、应变和位移时间历程。
判别准则与结论
救生舱整体结构损伤类型及判别准则
救生舱整体结构损伤类型及评判准则见表1。以舱体主体梁柱(加强筋)跨度相对变形和