一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法技术

一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，涉及矿井应急救援技术领域，本发明专利技术为解决现有的矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测中未能考虑到瓦斯爆炸冲击波与救生舱结构之间复杂的流固耦合作用的问题。一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，按以下步骤进行：一、建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型；二、真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下的数值模拟；三、确定边界条件；四、确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质；五、瓦斯爆炸流场环境的数值模拟；六、采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力响应。本发明专利技术可应用于矿井应急救援技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井应急救援
，尤其涉及一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法。
技术介绍
煤炭是一种传统而应用广泛的重要能源，我国是世界上煤炭消费最大的国家，并且我国也是一个产煤大国，随着煤矿矿井开采深度以及范围的不断加大，煤矿的突出危险性也越来越严重，煤矿安全生产形势日益严峻，一旦发生矿难事故，保障矿工的生命安全成为重中之重。矿用可移动式救生舱是当矿难发生时为矿工在灾变环境下提供稳定可靠、保障齐全的维生空间，把灾害的损失降到最低的有效措施。该项技术的推出，对中国形成一套具有国际先进水平的、以救生舱为主体的矿井应急救援系统，改善我国煤矿安全在管理方面的技术储备不足，全面提升我国煤矿应急救援方面的技术水平具有重要意义，同时也开辟了矿山安全生产“新纪元”。救生舱的主要目的就是能够抵御诸如瓦斯粉尘爆炸冲击作用、塌方等极端条件，确保舱内人员处于安全状态。其中，瓦斯粉尘爆炸产生的冲击波对救生舱结构的破坏作用最为严重，一旦结构发生破坏或者严重变形，救生舱内部人员不仅有直接遭受二次爆炸冲击波的危险，而且会使大量有毒气体进入舱内，导致救生舱的防护功能丧失。因此，保证救生舱具备一定的抗爆性能是其能够正常使用的首要条件。因此，我国安全生产行业标准《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件》规定，救生舱应具有足够的强度，舱体抗爆炸冲击能力不低于0.3MPa，即在作用时间不小于300ms条件下，舱体能够抵抗爆炸冲击形成的舱体表面作用载荷最大峰值不小于0.3MPa。检测救生舱成品是否达到标准规定的抗爆炸冲击能力的直接手段是通过试验方法来评估。众所周知，爆炸试验条件要求较高，受场地设备限制较高，操作复杂，成本较大，并不适合广泛应用。随着现代计算机技术的飞速发展以及先进有限元模拟技术的开发，另外一种较为有效的检测救生舱抗爆炸冲击性能的方法，即通过有限元软件，例如ANSYS/LS-DYNA、AUTODYN等建立救生舱三维有限元模型，也就是通过数值模拟方法来分析救生舱在爆炸荷载作用下的动力响应。该方法对比试验检测方法的优点是成本低，可重复性强，但如何准确模拟救生舱结构的材料性能，井下巷道环境，瓦斯爆炸流场以及爆炸冲击波对救生舱的作用，是确保该方法能够准确运用的重点和难点。现有有限元模拟方法，对救生舱抗瓦斯爆炸性能进行数值模拟时，对爆炸荷载的选取，多采用等效三角波形加载，即将爆炸荷载简化成三角形冲击波荷载，研究荷载持时和荷载峰值对救生舱结构的动力响应及破坏的影响，该方法的缺点是对爆炸荷载的处理过于理想化，未能考虑到瓦斯爆炸冲击波与救生舱结构之间复杂的流固耦合作用。实际上，气体受爆炸冲击波传播引发膨胀、反射叠加及绕射等效应对舱体的作用不可忽视，现有等效三角形简化计算方法未能考虑上述这些因素的影响。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测中未能考虑到瓦斯爆炸冲击波与救生舱结构之间复杂的流固耦合作用的问题，而提出一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法。一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，按以下步骤进行：一、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型；二、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下的数值模拟；三、确定边界条件；四、确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质；五、瓦斯爆炸流场环境的数值模拟；六、采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力响应；六(1)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱整体的动力响应；六(2)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱各构成部件的动力响应。本专利技术包括以下有益效果：1、本专利技术方法克服传统方法对爆炸荷载的处理过于理想化的缺点，考虑到瓦斯爆炸冲击波与救生舱结构之间复杂的流固耦合作用，模拟结果符合真实状况，模拟得到的数据更真实可靠；2、本专利技术方法首次将有限元方法结合流固耦合作用，应用于矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测方面，获得了令人满意的效果；3、本专利技术方法分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力响应时，既考虑救生舱整体的动力响应，又考虑救生舱关键部件的动力响应，分析数据全面详实，没有遗漏。附图说明图1为井下巷道有限元软件模拟示意图；图2为前端板附近空气单元测点位置示意图；图3为舱壁附近空气单元测点位置示意图；图4为前端板附近空气单元p-t曲线图；图5为舱壁附近空气单元p-t曲线图；图6为前端板上应力最大单元26539的σ-t曲线图；图7为前端板上位移最大单元106075的δ-t曲线图；图8为0.15s时舱体位移场云图；图9为主舱门上应力最大单元74368的σ-t曲线图；图10为后舱门上应力最大单元76484的σ-t曲线图；图11为后舱门上位移最大单元109216的δ-t曲线图；图12为法兰上应力最大单元26539的σ-t曲线图；图13为法兰上位移最大单元52416的δ-t曲线图；图14为壳体上应力最大单元45330的σ-t曲线图图15为壳体上位移最大单元17974的δ-t曲线图图16为加强筋及内隔断板上应力最大单元8584的σ-t曲线图具体实施方式具体实施方式一、本实施方式所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法按以下步骤进行：一、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型；二、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下的数值模拟；三、确定边界条件；四、确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质；五、瓦斯爆炸流场环境的数值模拟；六、采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力响应；六(1)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱整体的动力响应；六(2)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱各构成部件的动力响应。本实施方式包括以下有益效果：1、本实施方式克服传统方法对爆炸荷载的处理过于理想化的缺点，考虑到瓦斯爆炸冲击波与救生舱结构之间复杂的流固耦合作用，模拟结果符合真实状况，模拟得到的数据更真实可靠；2、本实施方式首次将有限元方法结合流固耦合作用，应用于矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测方面，获得了令人满意的效果；3、本实施方式分析瓦斯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于它按以下步骤进行：一、利用ANSYS/LS‑DYNA有限元软件建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型；二、利用ANSYS/LS‑DYNA有限元软件进行真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下的数值模拟；三、确定边界条件；四、确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质；五、瓦斯爆炸流场环境的数值模拟；六、采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力响应；六(1)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱整体的动力响应；六(2)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱各构成部件的动力响应。

【技术特征摘要】
1.一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于它按以下步骤进行：
一、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型；
二、利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下的
数值模拟；
三、确定边界条件；
四、确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质；
五、瓦斯爆炸流场环境的数值模拟；
六、采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱的动力
响应；
六(1)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱整体的动力响应；
六(2)、分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱各构成部件的动力响应。
2.如权利要求1所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于步
骤一利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立矿用可移动式救生舱壳体三维有限元模型的具
体过程为：
依据KJYF-96/12型矿用可移动式救生舱舱体实际尺寸进行建模，基本舱体蒙皮、法兰及
端板采用薄壳单元SHELL163划分网格，壳单元单元尺寸40mm；主舱门及逃生门采用实体
单元SOLID164划分网格，实体单元单元尺寸40mm。
3.如权利要求1或2所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在
于步骤二利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行真实井下巷道环境及瓦斯爆炸流场环境下
的数值模拟的具体过程为：
巷道水平布置，总长度为130m，分为四段，第一段：爆炸事故的发生源,内部充满浓度
为9.5％的瓦斯空气混合气体,长度为28m，；第二段：爆炸冲击波传播段,为纯空气段，长度
为72m，内部充满空气；第三段：空气与矿用可移动式救生舱流固耦合段，长度为13m；第
四段：扩散段,内部充满空气,长度为17m；
空气及瓦斯区域采用实体单元SOLID164划分网格，实体单元单元尺寸160mm。
4.如权利要求3所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于步
骤三确定边界条件的具体过程为：
KJYF-96/12矿用可移动式救生舱与巷道底面的约束简化为沿救生舱纵向的固定约束，无
初速度，无需考虑初始条件；巷道断面出口端采用流出边界，其它边界均采用刚性固壁边界。
5.如权利要求4所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于步
骤四确定矿用可移动式救生舱各构成部件的材质的具体内容为：
KJYF-96/12矿用可移动式救生舱舱体连接法兰为Q460钢，舱体内部两圈加强筋、底板
加强筋、前后门门板及耳板材料均为Q345钢，门框及外部加强筋材料均为Q235钢。
6.如权利要求5所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于步
骤五瓦斯爆炸流场环境数值模拟的内容为：
在0ms时体积为200m3，长度为28m，浓度为9.5％的瓦斯/空气混合气体开始爆炸，爆
炸冲击波在100m长度的空气域中传播，在140ms时传播至舱体迎爆面，开始对舱体进行加
载。
7.如权利要求6所述的一种矿用可移动式救生舱抗爆炸性能检测的方法，其特征在于步
骤六(1)采用流固耦合的方法，分析瓦斯爆炸冲击波荷载作用下矿用可移动式救生舱整体的
动力响应的具体内容为：
经LS-DYNA程序提取数据得，瓦斯爆炸冲击波作用在结构迎爆面的入射超压波峰约为
0.7MPa；
提取应力结果，整个冲击过程中所受应力最集中处为前端板与舱壁连接法兰处，最大值
出现在152ms时刻，单元26539达到428.9MPa；
入射超压波峰约为0.7MPa爆炸冲击波载荷下，整个冲击过程中位移最集中部位均为救生
舱迎爆面中间位置，位移最高值出现在151ms时刻，单元106075位移达...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博一，王伟，翟东宪，李泓昊，李硕，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23