戴 震,竇宏鶯,王曉君,李志強，宋選民

(太原理工大學(xué) a.力學(xué)學(xué)院,b.礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

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基于Ansys Workbench確定救生艙抗爆沖擊載荷

戴 震a，b,竇宏鶯a,王曉君a,李志強a，宋選民b

(太原理工大學(xué) a.力學(xué)學(xué)院,b.礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

利用有限元分析軟件Ansys Workbench中的顯示動力學(xué)模塊,對井下巷道瓦斯爆炸時可移動式救生艙周圍的沖擊波進行了數(shù)值模擬。仿真以相同截面形狀的實心救生艙體為研究對象,對明顯的突出結(jié)構(gòu)均不作簡化,結(jié)合TNT當(dāng)量法和流固耦合原理,獲得了爆炸流場中更為準(zhǔn)確的救生艙正面、側(cè)面、頂面和背面的超壓曲線。研究發(fā)現(xiàn),在救生艙正面,防爆門的超壓峰值明顯高于前門板;在側(cè)面和頂面,法蘭與艙體的超壓曲線相似；而前門系統(tǒng)與二者明顯不同;在背面,逃生窗口與后門板的超壓基本一致。結(jié)果表明,沖擊波的分布與救生艙的表面形狀有關(guān),尤其迎爆面構(gòu)件的外形對沖擊波影響顯著,存在突出結(jié)構(gòu)時不能被忽略。研究結(jié)果為救生艙整體和關(guān)鍵部件的動態(tài)響應(yīng)提供了理論支持。

救生艙;爆炸沖擊;超壓;數(shù)值模擬

救生艙作為井下緊急避險系統(tǒng)之一,安全性能將直接影響到被救人員的生命。設(shè)計救生艙時首要考慮的因素即是抗爆炸沖擊性能,但由于真實巷道爆炸實驗會消耗大量的人力物力,且有不易控制等局限性。隨著計算機技術(shù)的成熟和爆炸理論的發(fā)展,數(shù)值模擬研究以其高效率的優(yōu)勢,備受學(xué)者青睞。

在救生艙抗爆性能數(shù)值分析方面,目前解耦法因減少了完全耦合法所帶來的復(fù)雜流固耦合問題而被廣泛采用,其基本思想是:首先仿真獲得瓦斯爆炸時救生艙周圍的沖擊載荷曲線,再將該載荷施加到救生艙表面對其進行動力響應(yīng)分析[1]。以往的研究中更多采用三角形或簡單的沖擊波形式對救生艙加載來進行強度分析[2-4],這種方法雖然計算簡便省時,但存在失真問題,會造成救生艙動力響應(yīng)分析的誤差。近年來,隨著研究的不斷深入,已有更多學(xué)者將目光投向了沖擊波載荷的數(shù)值模擬。劉超[5]、王云艷[6]、王磊[7]通過采用Autodyn分析軟件,將救生艙作為巷道障礙物來模擬沖擊波壓力的激勵作用,并最終得到了救生艙各表面的沖擊載荷分布;應(yīng)富強[8]、白博[9]通過LS-DYNA,在TNT當(dāng)量法的基礎(chǔ)上,得出了救生艙殼體在井下瓦斯爆炸時的受力情況;景子龍、張安寧等[10]對不同表面形狀的救生艙進行爆炸模擬分析,結(jié)果表明拱形截面的救生艙表面沖擊載荷最小。以上研究考慮了沖擊波與救生艙的流固耦合作用,但均將復(fù)雜外形的救生艙簡化成了矩形、圓形或拱形等規(guī)則形狀的實心體。事實上,針對不同的救生艙,有必要以其真實外形來研究各表面的沖擊波載荷分布,以獲得救生艙整體及關(guān)鍵部位更為準(zhǔn)確的超壓曲線。

筆者以UG與Ansys Workbench結(jié)合對救生艙進行前處理,克服了Autodyn分析程序建模困難的特點,模擬了設(shè)有救生艙的巷道中爆炸沖擊波的傳播過程,仿真考慮了救生艙的法蘭及前后門系統(tǒng)突出結(jié)構(gòu)對沖擊波的影響,并最終得到了救生艙周圍的超壓曲線,為后續(xù)研究救生艙的抗爆性能提供了理論支持。同時，對關(guān)鍵部位的安全性能分析亦有完善及補充作用。

1 救生艙及巷道模型

1.1 救生艙結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的救生艙為可移動組合分體式,如圖1所示。救生艙長6 630 mm,寬1 500 mm,高1 900 mm。其中，首尾各一節(jié)為過渡艙和設(shè)備艙,中間6節(jié)為生存艙。每節(jié)艙體用法蘭連接,前門板厚40 mm,后門板厚40 mm,防爆門突出厚度60 mm,逃生窗口突出厚度40 mm,法蘭為50 mm×25 mm扁鋼。前門系統(tǒng)和后門系統(tǒng)材料為QT450-10,其余部件材料均為Q345。

圖1 救生艙三維幾何模型Fig.1 3D geometry model of refuge chamber

1.2 救生艙及巷道的有限元模型

數(shù)值模擬時,救生艙作為巷道障礙物,需對其進行以下假設(shè):

1) 救生艙為理想障礙物,即僅外表面對沖擊波造成反射,將其內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化為實心體;

2) 防爆門、逃生窗口、法蘭等明顯突出部分對沖擊波傳播有影響,不做形狀上的簡化;

3) 合頁、防爆窗、手輪、螺栓等小部件與救生艙整體相比體積很小,忽略其對沖擊波的影響。

圖2 救生艙有限元模型Fig.2 Finite element model of refuge chamber

基于以上假設(shè),在Ansys Workbench 的mesh模塊中對簡化的救生艙劃分網(wǎng)格,如圖2所示。在Autodyn界面中建立巷道空氣及炸藥有限元模型,巷道總長148 m,寬3.2 m,高2.6 m。其中，爆源段28 m,沖擊波傳播段100 m,救生艙及后端長度20 m,如圖3所示。假設(shè)巷道不變形,內(nèi)部空氣為理想氣體,使用78.24 kg長方體TNT炸藥代替瓦斯爆源。TNT炸藥以填充方式填入空氣域,炸點位于炸藥中心?？諝夂驼ㄋ幘捎枚辔镔|(zhì)歐拉算法。

圖3 巷道、TNT、救生艙位置示意圖Fig.3 The position of TNT and chamber in the roadway

1.3 材料參數(shù)與狀態(tài)方程

空氣采用空材料,以理想氣體狀態(tài)方程來描述:

(1)

式中:p為氣體壓力;γ為理想氣體絕熱指數(shù),取1.4;ρ為氣體的即時密度;ρ0為初始密度,取1.225 mg/cm3；E為初始比內(nèi)能,取為2.068×105。

TNT采用高能炸藥材料,以經(jīng)典的JWL狀態(tài)方程來描述:

(2)

式中：p為爆轟壓力；pA，pB，R1，R2和ω為炸藥的材料參數(shù)；E0為初始比內(nèi)能。詳細TNT炸藥材料參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥材料參數(shù)

1.4 分析設(shè)定

救生艙底面設(shè)為固支約束,空氣域遠離爆源的一端設(shè)為流出邊界,其他邊界為剛性固壁邊界。艙體與空氣之間為Lagrange/Euler全耦合,物理計算時間為300 ms。救生艙防爆門、前門板、各艙節(jié)側(cè)面及頂面、各法蘭側(cè)面及頂面、逃生窗口和后門板等位置設(shè)置壓力監(jiān)測點。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 巷道壓力云圖結(jié)果及分析

圖4為沖擊波到達救生艙附近不同瞬時的流場壓力云圖。由爆炸理論可知,在封閉的巷道中傳播時,隨爆炸距離的不斷增加,沖擊波會逐漸演變?yōu)槠矫娌?未遇到障礙物前,壓力峰值將呈衰減趨勢。由圖4可看出,在圖(a)10 ms時,爆炸波已經(jīng)呈現(xiàn)平面波狀態(tài),巷道內(nèi)壓力峰值在1 MPa之上；而在圖(b)150 ms,沖擊波傳播至遠離爆源的地方,已衰減到0.3 MPa附近,仿真與以上理論相符；在155 ms后(圖(c)，圖(d))，沖擊波到達防爆門,由于傳播受阻,致使后面壓縮波趕上前面壓縮波,疊加后整個巷道的壓力峰值明顯增加。

圖4 巷道中不同時刻壓力云圖Fig.4 Pressure contour in different time in the roadway

2.2 救生艙迎爆面超壓

圖5(a)、(b)為沖擊波在防爆門正面和前門板正面的超壓曲線。由圖可看出,二者超壓曲線具有相似的分布規(guī)律,均在157 ms時迅速達到超壓峰值,之后逐漸衰減;防爆門的超壓峰值為0.83 MPa,明顯高于救生艙前門板的0.64 MPa。分析其原因,主要是由于防爆門與前門板相距僅60 mm,而沖擊波傳播速度極快,短時間內(nèi)防爆門會與前門板的壓縮波再次疊加,導(dǎo)致其反射超壓值更大。因此,在救生艙安全性能分析時,防爆門和前門板應(yīng)施加不同的載荷條件。

圖5 救生艙迎爆面超壓曲線Fig.5 Overpressure curves on the front surface

2.3 救生艙側(cè)面和頂面超壓

圖6 救生艙側(cè)面和頂面超壓曲線Fig.6 Overpressure curves on the side and top surface

圖6(a)-(d)分別為前門板、艙體、法蘭側(cè)面和頂面的超壓曲線。從圖6(a)、(b)可看出,前門板側(cè)面和頂面的超壓峰值分別為0.46MPa和0.48MPa；(c)、(d)圖可看出,艙體和法蘭的側(cè)面和頂面超壓峰值均集中在0.3 MPa附近。

由圖6(a)、(c)對比可知,前門板側(cè)面對沖擊波的反射作用明顯高于艙體和法蘭;同樣圖6(b)、(d)對比知,前門板頂面對沖擊波的反射作用也明顯高于艙體和法蘭;圖6(c)、(d)對比可知,突出的法蘭結(jié)構(gòu)對沖擊波的影響作用和艙體基本保持一致。

2.4 救生艙背面超壓

圖7(a)、(b)為沖擊波在救生艙背面的超壓曲線。逃生窗口和后門板由于位置原因并未受沖擊波直接作用,超壓峰值較小,分別為0.13 MPa和0.11 MPa,可知二者相差不大。

圖7 救生艙背面超壓曲線Fig.7 Overpressure curves on the back surface

3 結(jié)論

1) 防爆門正面的超壓峰值明顯不同于前門板,前門板側(cè)面和頂面的超壓峰值也明顯不同于艙體和法蘭。為獲取真實的抗爆沖擊載荷曲線,迎爆面處的明顯突出結(jié)構(gòu)不應(yīng)做簡化。

2) 在側(cè)面和頂面,法蘭和艙體的超壓峰值相近;在背面,逃生窗口和后門板的超壓峰值相近。為節(jié)約運算時間,側(cè)面、頂面、背面可選取超壓峰值最大的曲線作為載荷施加條件進行救生艙動態(tài)響應(yīng)分析。

[1] 李志強,白博,謝青海,等.沖擊載荷下礦用移動式救生艙動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].振動與沖擊,2013,32(16):146-151.

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(編輯：龐富祥)

The Determination of Impact Load in Anti-explosion of Coal Mine Refuge Chamber Based on Ansys Workbench

DAI Zhena，b,DOU Hongyinga, WANG Xiaojuna,LI Zhiqianga,SONG Xuanminb

(a.College of Mechanics,b. College of Mining Technology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi030024,China)

In this paper, using Explicit Dynamics in finite element analysis software Ansys Workbench, numerical simulation was conducted for shock wave around coal mine refuge chamber in the gas explosion of under workings. By taking the solid refuge chamber with same section shape as the research object, without any simpification of the obvious convex structure, combining TNT equivalent method with fluid-solid theory, the simulation obtained more precise distribution curves of overpressure on the front,side, top and back surface of chamber.It is found that on the front surface,the peak overpressure value of the explosive door was significantly higher than that of fore end surface; on the side and top surface, the curves of overpressue on the flanges were similar with those on bulkhead,but obviously different from those on frontdoor system; on the back surface, the overpressure on the escape door is basically in accordance with that on the rear surface. The results show that the shock wave distribution is related with the surface shape of chamber, especially the structural componet close to the blast has a significant impact on it,which can not be simplified when there exists convex structrue. This research provides a theoretical support for the dynamic response of the whole camber and the key components.

refuge chamber; blast shock;overpressure;numerial simulation

1007-9432(2016)05-0613-04

2016-03-03

國家自然科學(xué)青年基金資助項目：井下救生設(shè)施結(jié)構(gòu)安全研究及優(yōu)化設(shè)計(51301117)

戴震(1981-),男,博士生,主要從事救生艙抗爆性能力學(xué)研究,(E-mail)daizhenpostbox@126.com

李志強,教授,博導(dǎo),主要從事沖擊動力學(xué)、計算力學(xué)研究,(E-mail)lizhiqiang@tyut.edu.cn

O383.3

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.010