利用HyperMesh对煤矿救生舱进行爆炸模拟分析

1.  概述

我国作为能源消费大国，煤炭在我国能源生产的大格局中占有绝对的比重，达到近70%。我国的煤炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3，但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5。世界每发生20起导致死亡人数最多的煤矿灾难中，就有8起发生在中国，频繁的矿难不仅造成了许多家庭的破裂，同时也严重影响了中国的国际形象。在人本理念成为世界发展潮流的大环境下，积极开展矿山安全保障技术的研究与开发，不仅是我国建设和谐社会的必然要求，更是时刻遭受矿井灾害威胁的煤矿工人的迫切愿望[1]。

在煤矿中，瓦斯爆炸、煤尘爆炸产生的强大的爆炸冲击波会使救生舱和避难硐室板壳结构发生一定程度的塑性变形，甚至发生倾倒和扭曲，破坏严重时将失去保护作用。要保证矿用救生舱应有的保护功能，必须保证其结构在爆炸冲击波作用下结构不会发生破坏。本文以KJYF96/8 矿用可移动式救生舱为分析对象，采用有限元分析方法[2]，分析矿用救生舱结构在不同爆炸冲击波作用下产生的应力及变形，找出最大应力出现位置、最大变形出现位置，等效塑性应变分布，判断矿用救生舱结构是否受到破坏，校验矿用救生舱在爆炸载荷作用下的安全性和可靠性[3]。

2. 有限元模型的建立

按照舱体实际结构尺寸进行建模。本救生舱模型已用三维制图软件组合完成，并导出为Step格式，导入HyperMesh中，进行前期处理。

舱体结构：

KJYF-96/8矿用可移动式硬体救生舱采用分体式组合结构，由过渡舱、生存舱、设备舱三个部分五段舱体组成，舱体之间通过变截面法兰连接，设备舱与生存舱为非密闭连接，舱体内外为组焊式结构，骨架交错布置，形成矩形网格布局，舱体外板厚6mm，内骨架采用50mmX30mmX3mm的矩形管，舱体外骨架及顶部采用10#槽钢，底部骨架采用14#槽钢。门侧外板厚12mm，门侧内骨架采用60mmX40mmX4mm矩形管，内加强筋采用60mmX40mmX4mm矩形管。

2.1.  网格划分

应该首先确定单位制，采用HyperMesh 建立有限元模型时，采用的mm--t--s 单位制，即长度单位为mm，时间单位为s，质量单位为t，压力的单位为MPa。

该救生舱基本舱体蒙皮厚度为6mm，相对于该救生舱尺寸而言厚度很薄，因此基本舱体蒙皮钢板采用薄壳单元划分网格较合理，而较厚一些的法兰，则采取实体单元。

针对Shell单元，在本次模拟中采取抽取中面的方法，将蒙皮及加强筋抽取中面，然后连接，以达到模拟目的。在划分网格过程中受力、属性相同的单元归为一个Component，赋予相同的属性和材料。

根据论文文献及不同参数组合的实验，初步选定最大网格尺寸为30，设置完成后网格划分由HyperMesh的2D--automesh程序自动完成,划分完成后应注意调整种子数，出现尽可能好的四边形网格，以达到更加精确的目的。

外层蒙皮和外部加强筋（槽钢）的连接

加强筋厚度也远远小于救生舱尺寸，故也采取Shell单元划分网格。使用HyperMesh中的2D-automesh划分四边形网格。下面蒙皮划分网格时候，应采用上面加强筋切割下面蒙皮的方法，选择网格大小同为30，这样切碎下面面板以后可以保证划分的网格基本一一对应。这样对于连接也是比较容易的。

内、外层蒙皮和内部加强筋（矩形钢管）的连接

内外层蒙皮与内部加强筋之间连接比较复杂，采取网格连接的方式连接三个构件，在HyperMesh中采取的是2d—ruled命令，连接这三个构件。

 法兰连接

法兰使用的是体网格，在划分体网格时，采用先划分面网格四边形单元，然后使用line drag生成六面体网格的方式，划分体网格，以便达到网格最佳的目的。

在画面网格的时候，应注意由蒙皮的中面相应切分法兰面，这样画出网格才能相互对应。以便更好地连接。

2.2.  材料模型

筋、板采用弹塑性材料模型（MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）

2.3.  舱体作用载荷及约束条件

舱体作用载荷采用直角三角形冲击波冲击荷载，迎爆面（门的一端）冲击荷载为0.6Mpa，其他面（底面除外）0.3MPa，作用时间300ms。

①使用HyperMesh绘制冲击波曲线

②由post—XY plots—plot确定曲线名称

③由post—XY plots—edit curves输入曲线数值，施加以后，HyperMesh显示两个curve

 Curve1：门一端施加冲击荷载

Curve2：其他面（底面除外）施加的冲击荷载曲线

约束条件：对救生舱两侧及底部单元进行约束。

2.4.  材料与属性

3. 计算结果图

表2：结果分析

4. 结论

依据KJYF—96/8型矿用可移动式救生舱舱体实际结构尺寸建立了有限元分析模型，采用了直角三角形波冲击荷载，利用HyperMesh强大的网格划分能力并模拟了KJYF—96/8型矿用可移动式救生舱的响应过程。

经数值模拟分析表明：舱体最大冲击变形发生在舱顶部内层板上面，冲击过程中变形最大量为15.68mm，；冲击过程中舱体部分部位所受应力超过材料屈服强度，所受最大应力值为381.65Mpa，略大于材料的屈服强度345Mpa，小于材料的极限屈服强度470Mpa，由此舱体不会出现破坏部位。

综上所述：考虑安全系数条件下，在直接三角形冲击波作用下，可以满足强度和刚度要求，舱体能够保持完整，结构安全。

5. 参考文献

[1]百度百科 矿用救生舱词条 http://baike.baidu.com/view/5265123.htm

[2] 曾攀. 有限元分析及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[3] 北京理工大学ANSYS/LS-DYNA技术支持中心. ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法[Z]，1999.

 Abstract：Coal mine refuge chamber is an important equipments to protect the life of the miner's life when the mine disaster happen and structural strength is a main Index for this equipment. In order to check the strength of coal mine refuge chamber. In this study the finite element model is established in HyperMesh environment and the influence on coal mine refuge chamber made by the pressure of gas explosion is obtained by using explicit integration method. Measure the parameters like the maximum stress and maximum deformation amount to check the stress whether in allowable range.

Key words: HyperMesh, Coal mine refuge chamber, Grid division, Shock wave, Simulation