基于Ansys Workbench确定救生舱抗爆冲击载荷

戴 震,窦宏莺,王晓君,李志强，宋选民

(太原理工大学 a.力学学院,b.矿业工程学院,太原 030024)



基于Ansys Workbench确定救生舱抗爆冲击载荷

戴 震a，b,窦宏莺a,王晓君a,李志强a，宋选民b

(太原理工大学 a.力学学院,b.矿业工程学院,太原 030024)

利用有限元分析软件Ansys Workbench中的显示动力学模块,对井下巷道瓦斯爆炸时可移动式救生舱周围的冲击波进行了数值模拟。仿真以相同截面形状的实心救生舱体为研究对象,对明显的突出结构均不作简化,结合TNT当量法和流固耦合原理,获得了爆炸流场中更为准确的救生舱正面、侧面、顶面和背面的超压曲线。研究发现,在救生舱正面,防爆门的超压峰值明显高于前门板;在侧面和顶面,法兰与舱体的超压曲线相似；而前门系统与二者明显不同;在背面,逃生窗口与后门板的超压基本一致。结果表明,冲击波的分布与救生舱的表面形状有关,尤其迎爆面构件的外形对冲击波影响显著,存在突出结构时不能被忽略。研究结果为救生舱整体和关键部件的动态响应提供了理论支持。

救生舱;爆炸冲击;超压;数值模拟

救生舱作为井下紧急避险系统之一,安全性能将直接影响到被救人员的生命。设计救生舱时首要考虑的因素即是抗爆炸冲击性能,但由于真实巷道爆炸实验会消耗大量的人力物力,且有不易控制等局限性。随着计算机技术的成熟和爆炸理论的发展,数值模拟研究以其高效率的优势,备受学者青睐。

在救生舱抗爆性能数值分析方面,目前解耦法因减少了完全耦合法所带来的复杂流固耦合问题而被广泛采用,其基本思想是:首先仿真获得瓦斯爆炸时救生舱周围的冲击载荷曲线,再将该载荷施加到救生舱表面对其进行动力响应分析[1]。以往的研究中更多采用三角形或简单的冲击波形式对救生舱加载来进行强度分析[2-4],这种方法虽然计算简便省时,但存在失真问题,会造成救生舱动力响应分析的误差。近年来,随着研究的不断深入,已有更多学者将目光投向了冲击波载荷的数值模拟。刘超[5]、王云艳[6]、王磊[7]通过采用Autodyn分析软件,将救生舱作为巷道障碍物来模拟冲击波压力的激励作用,并最终得到了救生舱各表面的冲击载荷分布;应富强[8]、白博[9]通过LS-DYNA,在TNT当量法的基础上,得出了救生舱壳体在井下瓦斯爆炸时的受力情况;景子龙、张安宁等[10]对不同表面形状的救生舱进行爆炸模拟分析,结果表明拱形截面的救生舱表面冲击载荷最小。以上研究考虑了冲击波与救生舱的流固耦合作用,但均将复杂外形的救生舱简化成了矩形、圆形或拱形等规则形状的实心体。事实上,针对不同的救生舱,有必要以其真实外形来研究各表面的冲击波载荷分布,以获得救生舱整体及关键部位更为准确的超压曲线。

笔者以UG与Ansys Workbench结合对救生舱进行前处理,克服了Autodyn分析程序建模困难的特点,模拟了设有救生舱的巷道中爆炸冲击波的传播过程,仿真考虑了救生舱的法兰及前后门系统突出结构对冲击波的影响,并最终得到了救生舱周围的超压曲线,为后续研究救生舱的抗爆性能提供了理论支持。同时，对关键部位的安全性能分析亦有完善及补充作用。

1 救生舱及巷道模型

1.1 救生舱结构

本研究设计的救生舱为可移动组合分体式,如图1所示。救生舱长6 630 mm,宽1 500 mm,高1 900 mm。其中，首尾各一节为过渡舱和设备舱,中间6节为生存舱。每节舱体用法兰连接,前门板厚40 mm,后门板厚40 mm,防爆门突出厚度60 mm,逃生窗口突出厚度40 mm,法兰为50 mm×25 mm扁钢。前门系统和后门系统材料为QT450-10,其余部件材料均为Q345。

图1 救生舱三维几何模型Fig.1 3D geometry model of refuge chamber

1.2 救生舱及巷道的有限元模型

数值模拟时,救生舱作为巷道障碍物,需对其进行以下假设:

1) 救生舱为理想障碍物,即仅外表面对冲击波造成反射,将其内部复杂结构简化为实心体;

2) 防爆门、逃生窗口、法兰等明显突出部分对冲击波传播有影响,不做形状上的简化;

3) 合页、防爆窗、手轮、螺栓等小部件与救生舱整体相比体积很小,忽略其对冲击波的影响。

图2 救生舱有限元模型Fig.2 Finite element model of refuge chamber

基于以上假设,在Ansys Workbench 的mesh模块中对简化的救生舱划分网格,如图2所示。在Autodyn界面中建立巷道空气及炸药有限元模型,巷道总长148 m,宽3.2 m,高2.6 m。其中，爆源段28 m,冲击波传播段100 m,救生舱及后端长度20 m,如图3所示。假设巷道不变形,内部空气为理想气体,使用78.24 kg长方体TNT炸药代替瓦斯爆源。TNT炸药以填充方式填入空气域,炸点位于炸药中心。空气和炸药均采用多物质欧拉算法。

图3 巷道、TNT、救生舱位置示意图Fig.3 The position of TNT and chamber in the roadway

1.3 材料参数与状态方程

空气采用空材料,以理想气体状态方程来描述:

(1)

式中:p为气体压力;γ为理想气体绝热指数,取1.4;ρ为气体的即时密度;ρ0为初始密度,取1.225 mg/cm3；E为初始比内能,取为2.068×105。

TNT采用高能炸药材料,以经典的JWL状态方程来描述:

(2)

式中：p为爆轰压力；pA，pB，R1，R2和ω为炸药的材料参数；E0为初始比内能。详细TNT炸药材料参数如表1所示。

表1 炸药材料参数

1.4 分析设定

救生舱底面设为固支约束,空气域远离爆源的一端设为流出边界,其他边界为刚性固壁边界。舱体与空气之间为Lagrange/Euler全耦合,物理计算时间为300 ms。救生舱防爆门、前门板、各舱节侧面及顶面、各法兰侧面及顶面、逃生窗口和后门板等位置设置压力监测点。

2 数值模拟结果与分析

2.1 巷道压力云图结果及分析

图4为冲击波到达救生舱附近不同瞬时的流场压力云图。由爆炸理论可知,在封闭的巷道中传播时,随爆炸距离的不断增加,冲击波会逐渐演变为平面波,未遇到障碍物前,压力峰值将呈衰减趋势。由图4可看出,在图(a)10 ms时,爆炸波已经呈现平面波状态,巷道内压力峰值在1 MPa之上；而在图(b)150 ms,冲击波传播至远离爆源的地方,已衰减到0.3 MPa附近,仿真与以上理论相符；在155 ms后(图(c)，图(d))，冲击波到达防爆门,由于传播受阻,致使后面压缩波赶上前面压缩波,叠加后整个巷道的压力峰值明显增加。

图4 巷道中不同时刻压力云图Fig.4 Pressure contour in different time in the roadway

2.2 救生舱迎爆面超压

图5(a)、(b)为冲击波在防爆门正面和前门板正面的超压曲线。由图可看出,二者超压曲线具有相似的分布规律,均在157 ms时迅速达到超压峰值,之后逐渐衰减;防爆门的超压峰值为0.83 MPa,明显高于救生舱前门板的0.64 MPa。分析其原因,主要是由于防爆门与前门板相距仅60 mm,而冲击波传播速度极快,短时间内防爆门会与前门板的压缩波再次叠加,导致其反射超压值更大。因此,在救生舱安全性能分析时,防爆门和前门板应施加不同的载荷条件。

图5 救生舱迎爆面超压曲线Fig.5 Overpressure curves on the front surface

2.3 救生舱侧面和顶面超压

图6 救生舱侧面和顶面超压曲线Fig.6 Overpressure curves on the side and top surface

图6(a)-(d)分别为前门板、舱体、法兰侧面和顶面的超压曲线。从图6(a)、(b)可看出,前门板侧面和顶面的超压峰值分别为0.46MPa和0.48MPa；(c)、(d)图可看出,舱体和法兰的侧面和顶面超压峰值均集中在0.3 MPa附近。

由图6(a)、(c)对比可知,前门板侧面对冲击波的反射作用明显高于舱体和法兰;同样图6(b)、(d)对比知,前门板顶面对冲击波的反射作用也明显高于舱体和法兰;图6(c)、(d)对比可知,突出的法兰结构对冲击波的影响作用和舱体基本保持一致。

2.4 救生舱背面超压

图7(a)、(b)为冲击波在救生舱背面的超压曲线。逃生窗口和后门板由于位置原因并未受冲击波直接作用,超压峰值较小,分别为0.13 MPa和0.11 MPa,可知二者相差不大。

图7 救生舱背面超压曲线Fig.7 Overpressure curves on the back surface

3 结论

1) 防爆门正面的超压峰值明显不同于前门板,前门板侧面和顶面的超压峰值也明显不同于舱体和法兰。为获取真实的抗爆冲击载荷曲线,迎爆面处的明显突出结构不应做简化。

2) 在侧面和顶面,法兰和舱体的超压峰值相近;在背面,逃生窗口和后门板的超压峰值相近。为节约运算时间,侧面、顶面、背面可选取超压峰值最大的曲线作为载荷施加条件进行救生舱动态响应分析。

[1] 李志强,白博,谢青海,等.冲击载荷下矿用移动式救生舱动态响应的数值模拟[J].振动与冲击,2013,32(16):146-151.

[2] 曾一鑫,白春华,李建平,等.巷道救生舱抗冲击数值仿真[J].煤炭学报,2012,37(10):1705-1708.

[3] 常德功,王吉利,李国星.基于LS-DYNA的矿用救生舱壳结构爆炸冲击分析[J].矿山机械，2013,11(41):131-134.

[4] 梅瑞斌,李长生,蔡般,等.爆炸冲击下煤矿救生舱抗爆能力有限元分析[J].东北大学学报(自然科学版)，2013,1(34):85-89,94.

[5] 刘超,鲍久圣.救生舱抗爆冲击载荷数值模拟[J].金属矿山，2014(1):141-144.

[6] 王云艳,何宁.基于AUTODYN、LS-DYNA的救生舱抗爆仿真试验[J].安全与环境学报，2014(2):9-12.

[7] 王磊,范世平,龚建宇,等.矿井KJYF-96/8型救生舱抗爆有限元分析[J].煤炭科学技术,2014(3):69-72.

[8] 应富强,李俊豪,黄金根,等.井下瓦斯爆炸时救生舱壳体受力情况的研究[J].煤矿机械,2013(4):60-62.

[9] 白博,李志强,王志华,等.矿用救生舱抗爆炸TNT当量与冲击载荷研究[J].科学技术与工程,2014,17:1-5,20.

[10] 景子龙,张安宁,张斌辉,等.不同截面救生舱爆炸冲击载荷模拟分析[J].煤矿机械,2013(5):103-105.

(编辑：庞富祥)

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

国家自然科学青年基金资助项目：井下救生设施结构安全研究及优化设计(51301117)

戴震(1981-),男,博士生,主要从事救生舱抗爆性能力学研究,(E-mail)daizhenpostbox@126.com

李志强,教授,博导,主要从事冲击动力学、计算力学研究,(E-mail)lizhiqiang@tyut.edu.cn

O383.3

A

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