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

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【摘要】：我國煤炭資源豐富儲量可觀,為世界所矚目。據(jù)1974到1980年第二次全國煤田預測,地下2000米以內(nèi)的全國煤炭儲量可達50592.19億噸。1996年我國煤炭探明可采儲量居世界第三位,全行業(yè)煤炭年開采量達到近10億噸,煤炭行業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟高速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但是,我們在為產(chǎn)煤大國自豪和煤炭經(jīng)濟驕傲的同時,不得不提及一個人人談之色變的話題:礦難。目前我國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,導致煤礦事故死亡人數(shù)占世界首位,生產(chǎn)百萬噸煤炭的死亡率橫向比較仍然遠遠高于世界平均水平。近年來雖然事故率已明顯呈逐年下降的趨勢,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家庭帶來不幸,更嚴重影響了建設(shè)和諧社會的目標。事實表明,單純依靠礦難發(fā)生后井上救援無法有效減少人員傷亡。由此,為更好的保護井下工作人員的生命安全,我們對于現(xiàn)在的井下救生艙進行優(yōu)化設(shè)計與分析,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。論文的主要研究內(nèi)容如下:1、艙體形狀的設(shè)計與靜載分析首先以圓柱體形艙體為研究對象,對其進行理論分析與設(shè)計,然后再對截面為梯形的艙體取相同的參數(shù),最后通過有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH作進一步的對比分析。由壓力容器知識得,當艙體的壁厚遠小于其他尺寸時,艙體被稱之為膜,而根據(jù)所施壓力得出的相關(guān)應力則被稱為薄膜應力。假設(shè)薄膜應力在艙壁斷面均勻分布,且沿切向作用于表面。對于承受外壓的艙體,應力都是產(chǎn)生在艙體壁上的,應力狀態(tài)是三維的,3個基本應力是徑向應力σr、軸向應力σa和切向應力στ。其中,徑向應力是壓力直接作用于艙壁并產(chǎn)生等于壓力的壓應力的結(jié)果。在薄壁容器中這個應力相比其他應力是很小的,因此,在設(shè)計艙體時該應力可以忽略不計。如此我們就可以假定應力狀態(tài)是兩向的,并且按最大應力理論設(shè)計計算。對于分析出的結(jié)果,本章進行了初步討論。2、艙體有無加強筋的靜載分析由于井下發(fā)生礦難時一般都伴隨有爆炸、塌方和透水等誘發(fā)災害,因此援救條件十分惡劣。在爆炸發(fā)生時,空氣沖擊波的壓力十分強大,因此對救生艙的強度和剛度要求比較高。但又不能單純的依靠增加壁厚來提高其強度和鋼度,因為壁厚過厚會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輸、提升和裝配。因此本章節(jié)對救生艙是否加加強筋進行了討論。首先對無加強筋進行理論分析和設(shè)計,然后查閱金屬材料手冊,對加強筋的材料進行選定,并對救生艙選取相同參數(shù),最后通過有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH作進一步的對比分析。3、艙體結(jié)構(gòu)骨架的設(shè)計及靜載分析根據(jù)救生艙體質(zhì)大則重量定有所增加的特點,在滿足艙體抗壓能力的前提下,適當?shù)膬?yōu)化其骨架結(jié)構(gòu)將有利于節(jié)省生產(chǎn)時的材料成本。由此本章節(jié)對于艙體的殼體的骨架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。首先根據(jù)救生艙艙體模塊化分段式設(shè)計的理念,提出3種不同的設(shè)計方案,然后對3種不同殼體選取相同的參數(shù),最后分別對設(shè)備艙殼體的x向位移、y向位移、z向位移以及Mises應力進行有限元分析,并且對分析結(jié)果做初步的討論。4、艙門開口位置的設(shè)計及靜載分析在礦難和爆炸發(fā)生時,會有巨大的沖擊和有毒有害氣體產(chǎn)生,艙門是救生艙與外界環(huán)境隔離的關(guān)鍵所在,因此是一個需要高度重視的部件。由此本章節(jié)對主艙門的開口位置進行分析。首先要查詢材料手冊,并對其材料進行選取。根據(jù)梯形艙體等效應力的分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)艙體的兩個端面和側(cè)面受到的應力相對較小,可以作為艙門的位置。由此做出兩個大膽假設(shè),然后對其選取相同參數(shù)。最后,分別對艙門設(shè)在艙體的兩個端面和側(cè)面的情況用ANSYS WORKBENCH作進一步的對比分析。
【學位授予單位】：上海海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD774

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本文編號：1171729