基于有限元救生舱舱体优化设计与分析

摘要

我国煤炭资源丰富储量可观，为世界所瞩目。据1974到1980年第二次全国煤田预测，地下2000米以内的全国煤炭储量可达50592.19亿吨。1996年我国煤炭探明可采储量居世界第三位，全行业煤炭年开采量达到近10亿吨，煤炭行业已经成为国民经济高速发展的重要基础。但是，在为产煤大国自豪和煤炭经济骄傲的同时，不得不提及一个人人谈之色变的话题：矿难。目前我国煤矿井下使用的救生设备的技术较为落后，一旦发生矿难，矿工的逃生几率很小，导致煤矿事故死亡人数占世界首位，生产百万吨煤炭的死亡率横向比较仍然远远高于世界平均水平。近年来虽然事故率已明显呈逐年下降的趋势，但仍不可避免，因井下安全事故等造成的人员伤亡不仅给千万家庭带来不幸，更严重影响了建设和谐社会的目标。事实表明，单纯依靠矿难发生后井上救援无法有效减少人员伤亡。 由此，为更好的保护井下工作人员的生命安全，对于现在的井下救生舱进行优化设计与分析，使其可以在井下发生瓦斯泄露、井下透水等事故中起到保护滞留井下工作人员的作用，以提高井下工作安全性。论文的主要研究内容如下： 1、舱体形状的设计与静载分析 首先以圆柱体形舱体为研究对象，对其进行理论分析与设计，然后再对截面为梯形的舱体取相同的参数，最后通过有限元分析软件ANSYS WORKBENCH作进一步的对比分析。由压力容器知识得，当舱体的壁厚远小于其他尺寸时，舱体被称之为膜，而根据所施压力得出的相关应力则被称为薄膜应力。假设薄膜应力在舱壁断面均匀分布，且沿切向作用于表面。对于承受外压的舱体，应力都是产生在舱体壁上的，应力状态是三维的，3个基本应力是径向应力σr、轴向应力σa和切向应力στ。其中，径向应力是压力直接作用于舱壁并产生等于压力的压应力的结果。在薄壁容器中这个应力相比其他应力是很小的，因此，在设计舱体时该应力可以忽略不计。如此我们就可以假定应力状态是两向的，并且按最大应力理论设计计算。对于分析出的结果，本章进行了初步讨论。 2、舱体有无加强筋的静载分析 由于井下发生矿难时一般都伴随有爆炸、塌方和透水等诱发灾害，因此援救条件十分恶劣。在爆炸发生时，空气冲击波的压力十分强大，因此对救生舱的强度和刚度要求比较高。但又不能单纯的依靠增加壁厚来提高其强度和钢度，因为壁厚过厚会造成救生舱体积和质量的增加，不仅为救生舱的生产制造造成了困难，并且使救生舱难以运输、提升和装配。因此本章节对救生舱是否加加强筋进行了讨论。首先对无加强筋进行理论分析和设计，然后查阅金属材料手册，对加强筋的材料进行选定，并对救生舱选取相同参数，最后通过有限元分析软件 ANSYS WORKBENCH作进一步的对比分析。 3、舱体结构骨架的设计及静载分析 根据救生舱体质大则重量定有所增加的特点，在满足舱体抗压能力的前提下，适当的优化其骨架结构将有利于节省生产时的材料成本。由此本章节对于舱体的壳体的骨架结构进行优化。首先根据救生舱舱体模块化分段式设计的理念，提出3种不同的设计方案，然后对3种不同壳体选取相同的参数，最后分别对设备舱壳体的x向位移、y向位移、z向位移以及Mises应力进行有限元分析，并且对分析结果做初步的讨论。 4、舱门开口位置的设计及静载分析 在矿难和爆炸发生时，会有巨大的冲击和有毒有害气体产生，舱门是救生舱与外界环境隔离的关键所在，因此是一个需要高度重视的部件。由此本章节对主舱门的开口位置进行分析。首先要查询材料手册，并对其材料进行选取。根据梯形舱体等效应力的分布云图，可以发现舱体的两个端面和侧面受到的应力相对较小，可以作为舱门的位置。由此做出两个大胆假设，然后对其选取相同参数。最后，分别对舱门设在舱体的两个端面和侧面的情况用ANSYS WORKBENCH作进一步的对比分析。

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第一章 绪 论

1.1井下救生舱的意义

1.2矿用井下救生舱的概况

1.3国内外的研究现状

第二章 舱体设计方案及尺寸设定及设备选用

2.1井下救生舱的设计方案

2.2井下救生舱舱内的设备及其选用

2.3 ANSYS14.0 WORKBENCH的介绍

第三章 舱体形状的设计与静载分析

3.1舱体形状的提出

3.2基于ANSYS14.0 WORKBENCH舱体形状静载分析

第四章 加强筋的布置、校核与选择

4.1加强筋的选择

4.2加强筋的布置

4.3加强筋的校核

4.4侧平面横向加强筋校核

4.5侧平面纵向加强筋校核

4.6基于ANSYS WORKBENCH布置加强筋的舱体静载分析

第五章 舱体结构骨架和舱门设计开口位置的优化与效果图

5.1井下救生舱舱体结构骨架优化设计与分析

5.2舱体舱门开口位置的研究与分析

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表文章情况