地下救生舱筋间稳定性分析及结构优化

徐仁朋

摘 要：地下救生舱是用于人员地下逃生和避难以及等待救援的一种安全逃生装置。地下及井矿工作环境非常复杂，潜在性危险较多，当发生瓦斯或者灰尘爆炸时，对救生舱的破坏特别大，因此对救生舱的结构要求极高。加强筋作为救生舱最重要的部件，对救生舱起到支撑作用，其稳定性直接影响救生舱的防爆性能，因此对救生舱结构性能的分析校核研究成为一个不可缺少的环节。

关键词：救生舱;稳定性;优化设计;加强筋

中图分类号：TD774文献标识码：A文章编号：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型救生舱的结构

1.1 舱体结构

KJYF-96/8型地下救生舱由过渡舱、生存（逃生）舱、设备舱三个主要舱体构成[1]。其中，过渡舱内有耐压密封门，自动、手动泄压阀，压缩空气、喷淋等逃生设备装置，其有效容积≥2.0 m3;生存（逃生）舱壁上设有观察窗和应急逃生门，当前舱门出现故障，无法正常开关，人员能够借此逃生，生存舱提供的生存空间≥1.0 m3/人;设备舱内放置各种逃生设备装置，为避免舱内设备泄露、异常时危及救生舱其他部位，采用密封门使其与其他舱体进行相对隔离，同时，舱后端也设置有耐压密封门，在紧急情况下逃生门、各舱门板全部无法开启时，人员可通过此门逃生[2]。救生舱舱体外观如下图1所示。

1.2 KJYF-96/8型救生舱三维实体建模

新乡市锦隆重工机械股份有限公司生产的KJYF-

96/8型可移动式硬体救生舱[3]为分体组装式。其基本尺寸为：过渡舱长度1.2 m，生存（逃生）舱长度3.6 m，设备舱长度3.9 m，舱体厚度12 mm。基本舱体由法兰螺栓相联接，两端法兰板与钢板采取焊接方式联接，各节间由M16螺栓联接。舱体内、外的加强筋为5号槽钢，底盘的加强筋为8号槽钢，底盘滑靴为10号槽钢，救生舱舱体底盘滑靴与滑轨配合放置。KJYF-96/8型救生舱部分模型图如图2所示。

2 KJYF-96/8型救生舱的稳定性

2.1 稳定性介绍

在现代材料力学中，稳定性的基本定义为：稳定性是指结构或构件保持原有平衡状态的能力。构件和机械零件必须严格地符合稳定性中的如下要求：第一，不能使构件发生变形或断裂，即构件满足工程上的强度要求;第二，弹性变形应不超出允许的范围，即构件具有足够的剛度;第三，在原有形状下的平衡应是稳定平衡，也就是构件本身不会因突然断裂而失去稳定性。

各构件不仅要满足强度、刚度的要求，还要保障结构不会突然失稳。实际工程中，一些细长的构件承受压力，可能突然变弯而失去承载能力，这种现象便是失稳。在SolidWorks Simulation[4]中，屈曲分析可以为细长结构的稳定性问题作模拟分析。屈曲是指在压力作用下的突然大变形。细长结构的物体受到一个轴向压缩载荷的作用，能在远小于引起材料失效的载荷下发生屈曲失效，如果结构越细或者越长则越容易发生屈曲导致构件失稳。

2.2 救生舱稳定性分析

针对本次设计的简化模型，在SolidWorks软件中选定Simulation插件进行模拟仿真分析。

2.2.1 单元类型的选择。分析单元的选择在Simulation算例中直接影响着模拟仿真运算的准确性。此次算例中的单元类型为梁单元、薄壳单元。

2.2.2 单位制的选择。长度单位：mm;质量单位：g;压力的单位：MPa。

2.2.3 定义材料属性。救生舱的舱体、舱体门板、加强筋等材料皆采用Q235钢。

2.2.4 定义接触。屈曲算例为混合网格，存在梁单元和薄壳单元。舱体面壳单元与各舱门及法兰壳单元间需要定义局部接合接触。

2.2.5 划分网格。划分网格对有限元模型计算的精度和规模将产生直接影响。对模型中的每个部件进行网格划分。舱体及各门板采用薄壳单元划分，加强筋采用梁单元进行划分。

本次分析根据实际条件，划分的单元大小为80 mm，划分网格及参数如图3、4所示。

2.2.6 设置边界条件。舱体与加强筋的接触类型：接合;救生舱与巷道底面的接触类型：固定节点。

2.2.7 进行加载。在爆炸冲击波作用下，救生舱主要发生弹塑性变形。此次模拟对除舱体底部面以外的五个面共同加载：两端载荷为1.2 MPa，除底面外的其他三个面承受0.6 MPa的载荷，如图5所示。

2.2.8 运行分析及结果。从图6可以看出，在屈曲模式1的情况下，设备舱尾部出现了大的变形趋势，此时计算出的屈曲载荷因子（安全系数）为7.117 3>1。该数值表明，在此条件下，不会发生屈曲失稳现象。

在此，值得说明的是分析结果图解中的形状变化并不是真实的情况，它仅仅表示一种屈曲的形态和趋势，其位移的数值也不代表真实的位移。位移图解可以理解为结构在假定屈曲失效时变形的情况。

加强筋作为舱体的主要支撑结构，涉及框架的失稳问题，这类问题相对复杂，因此有必要研究更高阶的屈曲模式。

在屈曲模式2下仍然是设备舱的尾部发生大变形，导致屈曲失效，与模式1不同的是其趋势是向内侧凹入，见图7。此时的载荷因子为7.423 4>1，不会发生屈曲失稳。

模式3下的载荷因子为8.042 8>1，没有屈曲的危险，如图8所示。

模式4下屈曲载荷因子为8.213 3>1，没有屈曲的危险，如图9所示。

在此次模拟仿真条件下，KJYF-96/8可移动式救生舱不会发生屈曲失稳，其屈曲载荷因子（安全系数）均大于1。结果显示，该救生舱可以承受7～8倍的已加载荷。当然这个数值仅在有限元模型与实际情况一致时才成立，任何载荷施加的缺陷和对加强筋对称性的偏离都会使屈曲载荷因子降低，因此屈曲分析的结果是非保守性质的。

3 救生舱的优化设计

由于屈曲分析的结果是非保守性质的，在现实中许多条件的改变都有可能降低屈曲载荷因子。

对于一个构件来说，先屈曲还是先屈服也是个值得探讨的问题。通常我们会用应力安全系数与屈曲安全系数作比较，较小的值所对应的失效形式将导致零件失效。因此，希望改善救生舱的结构来提高其屈曲载荷因子。

3.1 改变加强筋的布局

在未优化的原模型中，原加强筋之间的横向间隔大约为450 mm。现在将加强筋的横向布局间隔设定为350 mm。改变布局后，模式1下的屈曲载荷因子为10.091，相比较之前有所改善。模式2下载荷因子为10.326，也较之前有所改善。

优化加强筋的布局，如在条件允许的情况下，适当地使加强筋的结构紧凑，可以提高其构件的屈曲载荷因子。

3.2 添加泡沫铝材料优化舱体性能

泡沫铝是一种新型工业材料，由纯铝或铝合金中加入添加剂后经过发泡而成，其质量较轻，减震缓冲性能好。本研究尝试在舱体内侧设置部分泡沫铝夹层。在屈曲算例的壳体单元中定义25 mm厚的泡沫铝复合单元后运行算例并观察结果。模式1下新的屈曲载荷因子为9.219 1。由上述数值来看，在条件允许的情况下，添加泡沫铝材料有助于提高救生舱的屈曲载荷因子。

4 结论

本文从KJYF-96/8型救生舱的实际应用背景出发，结合发展现状，运用三维软件仿真出其在地下的救援情况，在现有的条件下对救生舱的骨架结构、加強筋的稳定性进行了模拟仿真，并计算出各个有可能发生的屈曲模式和与其对应的屈曲载荷因子，并对其进行了优化分析。本文得出的主要结论如下。

①救生舱的1—4种屈曲模式下的屈曲载荷因子分别为7.117 3、7.423 4、8.042 8、8.213 3。

②通过对其加强筋布局的优化设计，得到模式1和模式2下的新的屈曲载荷因子分别为10.091和10.326。在一定程度上增加了救生舱的屈曲安全系数。

③通过在舱体内板空间内添加泡沫铝材料，计算模式1下新的屈曲载荷因子为9.219 1。在一定程度上增加了救生舱的屈曲安全系数。

参考文献：

[1]孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究[J].煤炭学报，2011（5）：713-717.

[2]范江东，靳宇晖.矿用救生舱的初步研究[J].机械管理开发，2012（4）：39-46.

[3]黄成才.煤矿矿井避险硐室设计浅析[J].安全生产与监督，2011（2）：13-34.

[4]陈超祥，叶修梓.SolidWorks Simulation基础教程[M].北京：机械工业出版社，2010.