防护密闭门抗爆炸冲击的数值模拟及结构设计优化

李 博， 孟益平， 卢文龙

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.天长市远洋船舶设备有限公司，安徽 天长 239300）

防护密闭门抗爆炸冲击的数值模拟及结构设计优化

李 博1， 孟益平1， 卢文龙2

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.天长市远洋船舶设备有限公司，安徽 天长 239300）

防护密闭门作为煤矿井下紧急避险系统的关键部件，有着很高的质量要求。文章针对某企业设计开发的防护密闭门，利用ANSYS／LS－DYNA软件，对其抗爆炸冲击性能进行了数值模拟分析；定量分析了该产品的变形、强度和密封性，并通过结构设计优化，大幅提高产品的性能指标，以达到国家规范要求，保证产品在0.6 MPa的爆炸冲击压力下，各项指标安全可靠。

避难硐室；救生舱；防护密闭门；抗爆结构；结构设计优化；数值模拟

煤矿企业的安全生产是关系民生的重大问题。煤矿井下紧急避险系统作为煤矿井下安全避险“六大系统”的核心［1］，是煤炭行业关注的焦点。煤矿紧急避险系统指的是在矿山井下发生煤与瓦斯突出、火灾、爆炸等灾变事故后，在逃生路径被阻和逃生不能的情况下，为避灾人员安全避险提供生命保障的由避灾路线、紧急避险设施、设备和措施组成的有机整体［2］。国家为了规范煤矿井下紧急避险系统的建设完善，已制定了相关通用标准规定，并限期强制要求所有矿山企业执行。其中井下避难硐室、救生舱是煤矿井下紧急避险系统的重要组成设施，而防护密闭门则是其关键部件。

避难硐室及救生舱的防护密闭门，需既能抵挡一定强度的冲击波，又能阻挡有毒有害气体侵入，并设置观察窗［3］。防护密闭门高度不小于1.2 m，宽度不小于0.6 m，抗爆炸冲击能力不低于0.3 MPa，作用时间不小于300 ms，考虑2倍安全系数，即抗爆炸冲击能力不低于0.6 MPa。因防护密闭门属于系统关键部位，标准规定其变形失效为板壳最大变形挠度大于2%或变形量大于20 mm，其破坏失效为材料所受最大应力大于材料屈服极限，其密封失效为密封要求的连接件相对位移大于1 mm［4］。

根据以上规范要求，针对某企业设计开发的一款新型矿用防护密闭门，利用ANSYS／LS－DYNA软件，对其进行抗爆炸冲击数值模拟，并针对分析结果进行结构设计优化。

1 数学模型与原始设计模型数值分析

1.1 几何模型

对企业提供的二维产品图纸进行实际尺寸的三维建模。防护密闭门由抗爆主体结构、密封结构、隔热结构、手轮传动机构4个部分组成。门洞设计尺寸为1 600 mm×800 mm，门体抗爆结构为背部加强筋骨架结构。门体结构模型如图1所示。

图1 门体结构模型

1.2 有限元模型网格划分

针对已建立的三维几何模型，对其进行网格划分，由此得到有限元分析模型，如图2所示。

图2 门体有限元模型

门体有限元模型全部使用8节点solid单元进行划分，单元平均尺寸为10 mm，关键部位网格层数加密（如背部加强筋）。模型整体最小单元尺寸为5 mm。因不考虑焊接质量对抗冲击性能的影响，故所有焊接部位均采用节点重合的方法实现。

门体铰链转动部位使用旋转副单元模拟。因手轮传动机构中的齿轮连杆传动部件对门体抗爆性能无影响，故省略此部分的建模分析［5］。综上有限元模型的网格总数为70 140个。

1.3 定义接触

由于门板、门框与密封胶条之间，门框斜楔与锁紧夹扣之间存在相互接触约束关系，故需设置多组接触来实现相互约束。由于接触都是solid单元的表面接触，故选择面面接触来定义。门板、门框与密封条接触面之间，粗网格表面定义为主面，细网格表面定义为从面；门框斜楔与锁紧夹扣接触面之间，门框斜楔网格表面定义为主面，锁紧夹扣网格表面定义为从面［6］。

1.4 定义材料属性

防护密闭门主体结构采用Q345型钢，在爆炸冲击波作用下，其材料属性表现为弹塑性本构关系，故选择线性弹塑性材料类型来定义，其材料密度为7.85 g／cm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa。

1.5 定义荷载

井下爆炸冲击载荷一般呈指数形式衰减。为简化研究，可以把爆炸载荷简化为矩形压力冲击载荷［7］，或三角形载荷［8］作用于目标表面。

本次数值模拟，将爆炸冲击载荷简化为三角形和矩形压力冲击载荷。峰值压力为0.6 MPa，作用时间为300 ms。以此载荷作用于门体有限元分析模型的门体外表面。

1.6 定义约束

由于门体系统安装时，是将门框一圈焊接在硐室或救生舱骨架上，故在不考虑硐室或救生舱结构变形的情况下，对门框与硐室或救生舱骨架搭接焊接部分的单元节点进行全自由度约束，以实现对门体的位移约束。

1.7 原始设计模型数值分析

对有限元模型进行求解可得，在0.6 MPa的压力下，门体Mises应力最大值为428.7 MPa，大于材料的屈服极限345 MPa，门体结构设计不合格，如图3所示。

图3 原始门体位移云图和Mises应力云图

2 结构设计优化及模型数值分析

2.1 结构设计优化

由图3门体有限元分析结果云图可知，应力最大处为2、4号横向加强筋，而3号横向加强筋上的应力值较小。

因此，优化方向为均衡应力分布并降低应力最大值。

3号横向加强筋上的应力较小，原因为加强筋中部断开，应力传递中断，变形较大。因此，调整中部齿轮箱结构设计，增加3号横向加强筋中部连接，使3号横向加强筋贯穿门体横向整体，以此疏通应力横向传递。

优化设计前、后3号横向加强筋纵截面对比图如图4所示。

图4 3号横向加强筋纵截面优化前、后对比图

2、4号横向加强筋受拉侧应力值过大，原因为受拉侧钢材薄弱。

因此，加大受拉侧钢材的用量，即使用T型截面钢替换2、4号横向加强筋原始的矩形截面钢，以此加强钢材受拉侧强度。

优化设计前、后2、4号横向加强筋横截面对比图如图5所示。

图5 2、4号横向加强筋横截面优化前后对比图

2.2 优化后结构强度分析

对结构优化后的防爆密闭门模型进行有限元数值分析，可得，同样在0.6 MPa的压力下，门体Mises应力最大值为323.8 MPa，小于材料的屈服极限345 MPa，门体强度合格，如图6所示。

图5 优化后门体位移云图和Mises应力云图

2.3 优化后结构刚度分析

门体最大变形位移值为3.635 mm，小于门板宽度的2%（18 mm）和加强筋长度的1.5%（11.5 mm），门体满足刚度要求。

2.4 优化后结构密封性分析

门体密封连接件相对位移测量点位置分布如图7所示。测量各点阻燃密封圈处的密封性，即测量连接件咬合处两者之间的相对位移变化值，其中2、6号测量点结果如图8所示。

由各测量点相对位移时程图可知，密封部位连接件最大相对位移为0.35 mm，出现在2、6号测量点附近，均小于 “标准”要求的1 mm，门体满足密封要求。

图7 门体密封部位相对位移测量点位置分布

图8 2、6号测量点相对位移时程图

综上所述，结构设计优化后的防护密闭门，各项分析指标均大幅优于优化前，防护密闭门可满足强度、刚度和密封性能要求，结构安全。

3 结 论

结构设计优化后的防护密闭门，门体迎爆面所受最大冲击波压力为0.6 MPa时，防护密闭门可满足强度、刚度和密封性能要求，结构安全可靠；抗爆结构的结构加强筋应保持连续性，中部不可断开，以达到应力均衡分布；T型截面加强筋在抗弯性能方面大幅优于矩形截面加强筋，故在以加强筋骨架结构作为抗爆结构时，优先采用T型截面加强筋。

［1］国家安全生产监管总局.国家煤矿安监局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知［EB／OL］.（2010－08－26）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2010／0826／105907／content－105907.htm.

［2］杨大明.煤矿井下紧急避险系统的建设与发展［J］.煤炭科学技术，2010，38（11）：6－9.

［3］国家安全生产监管总局.煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定的通知［EB／OL］.（2011－01－27）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2011／0127／122344／content－122344.htm.

［4］国家煤矿安监局科技装备司.征求《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件（征求意见稿）》修改意见的通知［EB／OL］.（2011－09－14）［2014－02－10］.http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel－5330／2011／0914／148421／content－148421.htm.

［5］高 娜，金龙哲，尤 飞，等.矿井避难硐室防火防爆密闭系统研究与试验［J］.煤炭学报，2012，34（1）：132－136.

［6］张 鹏，周德源.基于ANSYS／LS－DYNA的护栏冲击模拟分析精度研究［J］.振动与冲击，2008，27（4）：147－152.

［7］Chung Kim Yuen S.Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.PartⅠ：subjected to uniform blast load［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，31（1）：55－83.

［8］戴佑斌，周早生，张尚根.爆炸冲击荷载作用下方舱的极限承载力计算与加固分析［J］.振动与冲击，2006，25（3）：127－130.

Numerical simulation and optimal structure design of blast－loaded airtight blast door

LI Bo1， MENG Yi－ping1， LU Wen－long2

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Tianchang City Ocean Shipping Equipment Co.，Ltd.，Tianchang 239300，China）

As the critical component of coal mine emergency refuge system，airtight blast door must satisfy high quality requirements.In this paper，the software ANSYS／LS－DYNA is employed to simulate the blast－resistant properties of a developed airtight blast door.The quantitative analysis of its deformation，strength，airtightness as well as the optimal structure design is conducted.As a result，the performance indexes of this airtight blast door are greatly improved and reach national norms，and every index is safe and reliable under the blast load of 0.6 MPa.

refuge chamber；rescue capsule；airtight blast door；blast－resistant structure；optimal structure design；numerical simulation

TD774

A

1003－5060（2015）02－0222－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.018

2014－02－11；

2014－04－18

李 博（1987－），男，山东济南人，合肥工业大学硕士生；

孟益平（1964－），男，江苏句容人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

（责任编辑 张淑艳）