本文關(guān)鍵詞：基于有限元救生艙艙體優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

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【摘要】：我國(guó)煤炭資源豐富儲(chǔ)量可觀,為世界所矚目。據(jù)1974到1980年第二次全國(guó)煤田預(yù)測(cè),地下2000米以?xún)?nèi)的全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量可達(dá)50592.19億噸。1996年我國(guó)煤炭探明可采儲(chǔ)量居世界第三位,全行業(yè)煤炭年開(kāi)采量達(dá)到近10億噸,煤炭行業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但是,我們?cè)跒楫a(chǎn)煤大國(guó)自豪和煤炭經(jīng)濟(jì)驕傲的同時(shí),不得不提及一個(gè)人人談之色變的話(huà)題:礦難。目前我國(guó)煤礦井下使用的救生設(shè)備的技術(shù)較為落后,一旦發(fā)生礦難,礦工的逃生幾率很小,導(dǎo)致煤礦事故死亡人數(shù)占世界首位,生產(chǎn)百萬(wàn)噸煤炭的死亡率橫向比較仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。近年來(lái)雖然事故率已明顯呈逐年下降的趨勢(shì),但仍不可避免,因井下安全事故等造成的人員傷亡不僅給千萬(wàn)家庭帶來(lái)不幸,更嚴(yán)重影響了建設(shè)和諧社會(huì)的目標(biāo)。事實(shí)表明,單純依靠礦難發(fā)生后井上救援無(wú)法有效減少人員傷亡。由此,為更好的保護(hù)井下工作人員的生命安全,我們對(duì)于現(xiàn)在的井下救生艙進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析,使其可以在井下發(fā)生瓦斯泄露、井下透水等事故中起到保護(hù)滯留井下工作人員的作用,以提高井下工作安全性。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1、艙體形狀的設(shè)計(jì)與靜載分析首先以圓柱體形艙體為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行理論分析與設(shè)計(jì),然后再對(duì)截面為梯形的艙體取相同的參數(shù),最后通過(guò)有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH作進(jìn)一步的對(duì)比分析。由壓力容器知識(shí)得,當(dāng)艙體的壁厚遠(yuǎn)小于其他尺寸時(shí),艙體被稱(chēng)之為膜,而根據(jù)所施壓力得出的相關(guān)應(yīng)力則被稱(chēng)為薄膜應(yīng)力。假設(shè)薄膜應(yīng)力在艙壁斷面均勻分布,且沿切向作用于表面。對(duì)于承受外壓的艙體,應(yīng)力都是產(chǎn)生在艙體壁上的,應(yīng)力狀態(tài)是三維的,3個(gè)基本應(yīng)力是徑向應(yīng)力σr、軸向應(yīng)力σa和切向應(yīng)力στ。其中,徑向應(yīng)力是壓力直接作用于艙壁并產(chǎn)生等于壓力的壓應(yīng)力的結(jié)果。在薄壁容器中這個(gè)應(yīng)力相比其他應(yīng)力是很小的,因此,在設(shè)計(jì)艙體時(shí)該應(yīng)力可以忽略不計(jì)。如此我們就可以假定應(yīng)力狀態(tài)是兩向的,并且按最大應(yīng)力理論設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于分析出的結(jié)果,本章進(jìn)行了初步討論。2、艙體有無(wú)加強(qiáng)筋的靜載分析由于井下發(fā)生礦難時(shí)一般都伴隨有爆炸、塌方和透水等誘發(fā)災(zāi)害,因此援救條件十分惡劣。在爆炸發(fā)生時(shí),空氣沖擊波的壓力十分強(qiáng)大,因此對(duì)救生艙的強(qiáng)度和剛度要求比較高。但又不能單純的依靠增加壁厚來(lái)提高其強(qiáng)度和鋼度,因?yàn)楸诤襁^(guò)厚會(huì)造成救生艙體積和質(zhì)量的增加,不僅為救生艙的生產(chǎn)制造造成了困難,并且使救生艙難以運(yùn)輸、提升和裝配。因此本章節(jié)對(duì)救生艙是否加加強(qiáng)筋進(jìn)行了討論。首先對(duì)無(wú)加強(qiáng)筋進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì),然后查閱金屬材料手冊(cè),對(duì)加強(qiáng)筋的材料進(jìn)行選定,并對(duì)救生艙選取相同參數(shù),最后通過(guò)有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH作進(jìn)一步的對(duì)比分析。3、艙體結(jié)構(gòu)骨架的設(shè)計(jì)及靜載分析根據(jù)救生艙體質(zhì)大則重量定有所增加的特點(diǎn),在滿(mǎn)足艙體抗壓能力的前提下,適當(dāng)?shù)膬?yōu)化其骨架結(jié)構(gòu)將有利于節(jié)省生產(chǎn)時(shí)的材料成本。由此本章節(jié)對(duì)于艙體的殼體的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。首先根據(jù)救生艙艙體模塊化分段式設(shè)計(jì)的理念,提出3種不同的設(shè)計(jì)方案,然后對(duì)3種不同殼體選取相同的參數(shù),最后分別對(duì)設(shè)備艙殼體的x向位移、y向位移、z向位移以及Mises應(yīng)力進(jìn)行有限元分析,并且對(duì)分析結(jié)果做初步的討論。4、艙門(mén)開(kāi)口位置的設(shè)計(jì)及靜載分析在礦難和爆炸發(fā)生時(shí),會(huì)有巨大的沖擊和有毒有害氣體產(chǎn)生,艙門(mén)是救生艙與外界環(huán)境隔離的關(guān)鍵所在,因此是一個(gè)需要高度重視的部件。由此本章節(jié)對(duì)主艙門(mén)的開(kāi)口位置進(jìn)行分析。首先要查詢(xún)材料手冊(cè),并對(duì)其材料進(jìn)行選取。根據(jù)梯形艙體等效應(yīng)力的分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)艙體的兩個(gè)端面和側(cè)面受到的應(yīng)力相對(duì)較小,可以作為艙門(mén)的位置。由此做出兩個(gè)大膽假設(shè),然后對(duì)其選取相同參數(shù)。最后,分別對(duì)艙門(mén)設(shè)在艙體的兩個(gè)端面和側(cè)面的情況用ANSYS WORKBENCH作進(jìn)一步的對(duì)比分析。
【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD774

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本文編號(hào)：1171729