（机械制造及其自动化专业论文）矿用防爆柜优化设计.pdf

摘要山西是煤炭大省，煤矿工作环境恶劣、安全隐患多、是大型事故的高发区。一旦形成爆炸三角形( 点火源、氧环境、可燃性气体；或点火源、氧环境、煤粉) 就可能发生着火甚至引发爆炸。因此设计一套安全高效的防爆柜系统具有很重要的现实意义。本文在“抗爆没计”思想的指导下运用有限元技术对矿用防爆柜进行研究：有限元技术是工程设计领域的一个强有力的计算工具，经过约半个世纪的发展，它己日趋成熟、实用，在几乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。本文采用三维有限单元法对矿用防爆柜箱体进行了有限元分析，利用1 0 节点四面体单元建立起箱体的三维立体网格，分别对箱体进行了静态线性和非线性分析。箱体的有限元分析结果表明：箱体内的应力分布不均匀，门板及连接部位应力值较大，且应力幅值变化较大，箱体结构的其它部位应力水平均较低，有一定强度储备。箱体的最大变形发生在板中部。通过现场试验研究，验证了有限元模型的正确性和可靠性，为研究箱体结构提供了可靠的数据和技术储备。在有限元分析基础上，对箱体结构进行了改进，提出了多种方案。通过对改进后的箱体进行有限元分析，得出了最优方案。通过运用有限元法对箱体进行应力变形分析，证明了有限元法在进行强度和刚度分析具有强大的生命力。只要能正确地建立分析结构的计算模型，正确地分析载荷情况和边界条件，作出适当地简化，就可以进行有限元分析。采用有限元分析作为箱体结构设计的辅助手段，使箱体设计工作跃上一个新的台阶，摆脱过去经验设计的局限性，使设计发生质的飞跃，提高设计的水平。关键词：矿用防爆柜；应力；应变；抗爆设计；有限元；优化设计a b s t r a c ts h a n x ii sab i gp r o v i n c eo fc o a l t h ee n v i r o n m e n to fc o a li se x e c r a b l ea n dt h e r ei so f t e ns o m eh i d d e nt r o u b l e s oi ti se a s yt oo c c l l ra c c i d e n t i ft h e r ei sat r i a n g l eo fe x p l o s i o n ( k i n d i n g ，o x y g e ne n v i r o n m e n t ，f l a m m a b l eg a so rk i n d i n g ，o x y g e ne n v i r o n m e n t ，c o a lp o w e r ) ，i ti se a s yt oo c c u re x p l o s i o n s oi th a sr e a l i s t i cm e a n i n gt od e s i g nas y s t e mo fc o a lw e l le x p l o s i o n p r o o fc a b i n e tw i t hh i g he f f i c i e n c ya n ds e c u r i t yt h i sp a p e ru s et h et e c h n o l o g yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os t u d yo nt h ec o a lw e l le x p l o s i o n - p r o o fc a b i n e ta n di su n d e rt h ei d e ao fe x p l o s i o n p r o o fd e s i g n t h et e c h n o l o g yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) h a sb e e nas t r o n gc o m p u t a t i o n a li m p l e m e n ti nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g nf i e l d i ti n c r e a s i n g l yb e c a m em a t u r ea n dp r a c t i c a li nt h ep a s th a l fc e n t u r y a n di ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti na l lk i n d so ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g nf i e l dt h i sp a p e ru s e st h ea d v a n c e df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et h ee x p l o s i o n - - p r o o fc a b i n e ta n ds e t su pat h r e e - - d i m e n s i o nm o d e lw i t ht h et e t r a h e d r o ne l e m e n tb y10n o d e s i ti sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h el i n e a rs t a t i ca n dn o n l i n e a rm e t h o d s 。t h ea n a l y t i c a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r e s sd i s t r i b u t i n go ft h et r a n s f o r m e r - c a b i n e ti su n e v e n ，t h es t r e s sv a l u ei nt h ep l a n ka n dt h ec o n j u n c t i o np a r ti sl a r g ea n dv a r i e dg r e a t l y t h es t r e s sv a l u ei nt h eo t h e rp a r ti sa l ll o w e ra n dt h e r ei sc e r t a i ns t r e n g t hs t o r a g e t h ea r e ao fb i g g e s td e f o r m a t i o no c c u r si nt h ec e n t e ro ft h ep l a n k b yt e s t i n gr e s e a r c ho nt h es p o t ，i tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ef e mm o d e l ，a n di tp r o v i d e sr e l i a b l ed a t aa n dt e c h n i c a ls t o r a g ef o rf u r t h e rr e s e a r c h i n g b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，t h ea u t h o ri m p r o v e st h ed e s i g no ft h ee x p l o s i o n p r o o fc a b i n e ta n dp r e s e n t sk i n d so fp r o j e c t s b yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h eb e s tp r o j e c ti sg o r e n a f t e ra n a l y z i n gt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nb yf e m ，t h i sp a p e rp r o v e st h a tf e mh a sas t r o n gv i t a l i t y a sl o n ga sac a l c u l a t i o nm o d e lc a nb eb u i l tu pc o r r e c t l y , a n dt h el o a dc i r c u m s t a n c ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sc a nb ep r o p e r l ys i m p l i f i e d ，a na n a l y s i sc a nb ec a r r i e do n a sa na s s i s t a n tm e a n s ，f e mh a si m p r o v e do nt h ed e s i g nw o r ka n dg o tr i do ft h ep a s te x p e r i e n t i a ld e s i g nm e t h o dk e yw o r d s ：e x p l o s i o n p r o o fc a b i n e t ；s t r e s s ；t r a n s m u t a t i o n ；e x p l o s i o n p r o o fd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：o p t i m a ld e s i g n原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：生兹堑e t 期：论文作者签名：旦尘垫期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。签名：导师签名：虫拯垫互垡丕e l 期：2 0 0 6 2 2 8e l 期：2 0 0 6 2 2 8中北大学学位论文1 1 课题背景第一章绪论我国是一个产煤大国，原煤产量居世界第一。长期以来，煤炭在我国一次性能源生产和消费构成中均占2 3 以上，“十五”期间随着国民经济的增长，对煤炭的需求量将稳步上升。煤炭工业是我国重要的基础产业，国家将建设一批大中型现代化矿井，“十五”末形成1 2 个煤炭年生产能力在1 亿吨以上，5 - 6 个5 0 0 0 万吨以上的大公司和企业集团，建设年产2 0 0 万吨以上的矿井是大公司和企业集团的建设目标。为此国家对煤矿井下供电系统的升压和综采设备的研制非常重视，并投入了大量的人力、物力。山西省是煤炭资源大省，各类大、中、小煤矿比较多，而煤矿工作环境恶劣、安全隐患多、是大型事故的高发区。存在可燃性气体、煤粉等多种可燃性物质。一旦形成爆炸三角形( 点火源、氧环境、可燃性气体；或点火源、氧环境、煤粉) 就可能发生着火甚至引发爆炸。会造成人员伤亡和设备损坏，给国家和人民的生命财产造成威胁。历史上第一次记载的粉尘爆炸事故发生于1 7 8 5 年1 2 月1 4 日意大利都灵面粉厂，粉尘爆炸使得仓储楼遭受严重破坏、并导致人员伤亡。自从该次事故后，经历了一、二百年的历史、人们才逐渐认识到类似煤粉等许多种可燃性粉尘均有爆炸的危险性并开始从事这方面的工作。代表性的文献出自德国科学家b e y e r s d o f f e r ( 1 9 2 5 ) ，而真正系统性的研究却始于二十世纪五六十年代。这一时期的研究以实验测试为主、实验方法和测试设备各不相同、多以井下煤粉为测试对象。爆炸的研究在七、八十年代进入高潮，试验测试设备己逐步趋于统一。如至今世界上还用的一立方米爆炸测试装置及2 0 升球形爆炸测试装置就是在八十年代由瑞士科学家w b a r t k n e c h 研制的【2 1 。除实验研究外人们也开始了理论研究：如爆炸云形成的过程、点火机理、火焰传播过程包括爆燃到爆轰的转戾、试验结果的理论放大中北大学学位论文等方面都已取得许多成果。但由于爆炸机理、尤其是粉尘爆炸的影响因素相对于气体爆炸来说要复杂的多，因此直到现在为止，人们对粉尘爆炸的理论及建立在相关理论基础上的防护技术、产品的研究仍是国际上许多学者热衷从事的课题【3 】。研究爆炸机理的目的在于进行“抗爆设计”，“抗爆设计”的思想实质是在保证设备具有承受一定爆炸载荷能力的前提下尽可能的节省材料。即要求抗爆设计时让结构在爆炸载荷作用下部分或全部的工作在塑性区，所以抗爆设计的关键在于如何准确分析结构进入塑性状态后的变形及强度，抗爆设计既能保证设备具有一定的安全水平、同时又能充分发挥材料的潜能，所以它是一种比较理想的、先进的设计思想。采用抗爆设计是一种国际性的趋势。但准确分析结构进入塑性状态后的变形及强度问题是非常困难的。众所周知，传统的许用应力设计方法弹性设计法，之所以被广泛应用，一方面是由于按照材料处于弹性范围内设计将获得较大的安全度；另一方面是由于弹性设计方法比较简单。易于实现。而按照抗爆设计方法设计防爆设备时，允许结构发生较大的塑性变形。此时结构将表现出几何和材料的非线性特征，使得结构的本构方程异常复杂难于求解。虽然极限分析方法可以用于求解许多具有简单几何形状构件的极限承载能力，但对于具有复杂几何形状的结构极限载荷的研究还远不能满足实际应用的需要【4 】，所以极限分析方法很难直接用于抗爆设计何防爆设备的危险评估【5 j 。我国对气体爆炸的研究比较早，但对粉尘爆炸的研究工作始于上世纪八十年代初期。目前的实验测试技术及部分理论研究已接近或达到国际水平【6 】，但在防爆技术应用方面的基础研究方面却很薄弱，尤其对粉尘爆炸方面的研究还处于起步阶段。由于问题的复杂性，对于抗爆设计目前世界上仍然没有一套明确、综合的设计规则可利用。即便是比较完整的德国标准也仅仅是一个指导性文件，总之“抗爆设计”在国际范围内仍处于发展阶段，需要进一步完善和发展。针对上述情况需设计一种安全、高效的防爆柜系统，本文主要从结构和理论上进行研究。2中北大学学位论文1 2 防爆柜研究现状矿用防爆柜是安装电器元器件的设备，用于矿区井下工作。箱体是该产品的关之一。由于要适应于井下工作，要求箱体在矿井环境下不受损坏而保证电器元器件正常工作，箱体必须有足够的强度、刚度，以保证能够承受变压器万一爆炸时产生强大的冲击力，以确保井下安全工作。由于箱体结构复杂，很难寻求一种简化方法对其结构进行正确而可靠的设计与计算。因此在相当长的时问内，矿用防爆柜箱体结构设计主要是经验设计和参数类比设计，通过试验发现问题再对设计方案加以改进，如此反复，既费时又花费很大的财力物力。这种传统的设计方法缺乏对箱体结构进行较为深入的理论分析和力学计算。因此，虽然箱体在结构上作了较大改进，但没有采用先进的计算方法对其进行力学分析，缺乏足够的理论依据，是不完善的。传统的防爆柜结构设计大多停留在静态类比、经验设计的方法上，往往是在设备出样之后，或是根据主观认识，或是通过一般试验寻找结构的薄弱环节，然后对结构进行加固处理。不仅周期长、代价高，并且因难以确认引起结构动态故障的症结而使加固方法带有盲目性。在恶劣的情况下，机柜的动态响应就很难达到设计指标。以至于在未能预估设备动态特性的前提下进行盲目的加固等手段，往往带来诸如：增加附加重量、体积，缺乏灵活、机动性，不便于维修等不利因素。由于防爆柜的复杂性，用动力学方法对机柜进行结构设计的主要制约因素是结构参数的量化处理，随着计算机技术的发展和普及，以往那些非常复杂费时的数据处理己变得较为简便轻松，一些伴随着软件技术发展起来的现代设计方法也日臻成熟和完善。作为分析手段的有限元等数学、力学方法及其应用软件已在结构动力学分析中得到迅速推广和应用，同时也为分析防爆柜的动态特性，制定结构设计方案提供了良好的条件。与其它产品的设计类似，可靠性问题应从防爆柜的初始设计阶段，即方案设计开始。设计方案的选择和确定关系到结构设计的最终效果。在防爆柜的结构设计中，方案牵涉到机柜总体的几何尺寸、材料的性质及其截面形状、各部件的结构形式和3中北大学学位论文相互联系、静态受力关系、各子结构以及结构总体的动态参数和特性等诸多因素及指标。要从大量的结构因素和众多指标中筛选出符合设计目标的因素进行优化组合从而获得最佳方案，这既是一项相当困难的系统工程，无疑也是防爆柜结构设计所追寻的目标。1 3 防爆柜设计要求设备的结构设计直接关系到其功能体现、可靠性、可维修性和实用美观，并影响实用者的心理状态。设备的整机结构设计己发展成为人机工程学、机械学、力学、材料学等为基础的综合性学科。防爆柜主要有以下一些功能：1 安装、固定和支撑电子设备中的各组成部分，使之构成一个整体，并保证各部分之间的电子连接和机械连接，以完成预定的工作。2 保护防爆柜内部的各个部分在设备受到外界机械因素( 冲击、振动等) 、气候因素以及其它因素( 电磁波干扰、核辐射) 的影响下，能保证设备稳定可靠地工作。3 防爆柜也是安装电子设备的显示与控制系统的基础结构，因此它应提供操作、维修的条件。防爆柜的结构设计已成为实现产品技术指标的重要组成部分。其设计好坏将直接影响设备的工作稳定性与可靠性。为此，防爆柜的设计必须满足以下条件。1 保证产品技术指标的实现。即保证机柜有足够的刚度和强度，避免因结构变形而引起电气接触不良，甚至受振动后破坏。2 良好的结构工艺性。3 体积小，重量轻。在进行漫计时，必须合理地布局，提高设备的紧凑性，尽量简化其结构，降低设备的体积和重量，这是一项重要的经济指标。4 便于设备的操作使用与安装维修，要求结构简单，拆装方便，有利于缩短维修时间。4中北大学学位论文5 符合人机关系，造型美观协调。6 贯彻执行“三化”，即标准化、通用化、系列化。尽可能多采用标准化、规格化的零部件和尺寸系列。1 4 技术线路及主要内容防爆柜是安装、支撑和保护电路元器件及机械零部件的基础，其设计好坏将直接影响设备的工作稳定性与可靠性。以往的设计往往不能从根本上保障电子设备的工作稳定性与可靠性。因此，提出一种可行的机柜设计方案，从根本上保障设备的工作稳定性与可靠性，显得尤为重要。本课题主要研究了以下几个内容：1 箱体几何模型的建立在有限元分析时，模型建得合理与否非常重要。一方面建立起与实际结构相符的模型，另一方面为简化计算，将对结果影响较小的结构作适当简化。2 边界条件约束的确定给几何模型添加边界条件和约束，应尽量符合实际的情况。3 网格的划分选用哪种形状的有限元单元取决于结构的几何形状和所要求的计算精度。由于箱体结构复杂，采用三维1 0 节点四面体单元划分网格。有限元的网格划分是关系到计算精度、计算机速度、容量与收敛性的重要问题。根据误差分析，应力的误差与单元尺寸成j 下比，位移误差与单元的尺寸平方成正比。一般在预期应力梯度越大的区域，网格应该越密。4 有限元分析与计算利用有限元分析软件对箱体进行了线性静力分析、非线性静力计算。并对计算结果进行了分析。5 试验验证5中北大学学位论文为了验证所建模型的正确性和可靠性，对箱体进行水压试验。通过对有限元计算结果与实测结果比较，说明箱体结构的有限元模型约束条件和载荷分布规律能真实地描述了箱体的受力状况，因此所建立的箱体有限元结果在设计中可以作为参考依据。6 对箱体结构优化对箱体螺栓与法兰的强度进行了校核和优化，提出一种工程简化算法。在此基础上对箱体其它结构设计进行改进，提出了多种方案，对其进行有限元分析，为箱体改进设计提供了力学仿真。并为其它新型变压器箱体的研制提供理论依据。6中北大学学位论文第二章防爆及抗爆基本理论与应用2 1 矿井环境爆炸及抑制2 1 1 外环境爆炸的主要原因外环境爆炸的主要原因有以下几个方面”1 ：( 1 ) 矿井瓦斯。矿井生产条件、地质条件的复杂变化引起瓦斯浓度起伏，瓦斯浓度超限。即使风流中的瓦斯浓度不超限，因瓦斯密度小，比空气轻，煤层经采掘逸出的瓦斯会积聚在巷道、工作面和采空区的上部，在一些通风不畅的地带及采空区的一定部位，积聚的瓦斯浓度达到爆炸极限。烟火、电火花、赤热的金属表面、吸烟、强烈撞击或摩擦产生的火花等，引起瓦斯爆炸；( 2 ) 煤氧复合产生可燃气体。煤矿生产中，气中的氧与煤分子表面的活性结构接触，发生煤氧温超过临界温度后，导致煤体燃烧。当存在体积较到爆炸极限：可燃混气中氧浓度超过1 4 ；可燃性度高于燃点，燃烧就会转变为爆炸；由于空气渗漏进入松散煤体，空复合反应，导致煤体升温，当煤大、温度较高的可燃混气，且达混气流动过程遇到火源或本身温( 3 )高温脱吸瓦斯气体。一般认为原始煤体中存在的瓦斯气体，一部分以游离状态吸附于裂隙与微孔中，一部分吸附于煤分子内部。游离瓦斯在开采过程中大部分被释放，而吸附瓦斯在正常条件下不易释放，当煤体温度升高时，吸附瓦斯动能增加，活性增强，会脱附形成游离瓦斯，增大瓦斯浓度。此外，会使周围可燃混气聚集区的温度增加，增大气体爆炸极限的范围，大。7煤体温度增加，使爆炸危险性增中北大学学位论文2 1 2 爆炸危险性判定一、爆炸危险性参数可燃气体与空气组成的混合物遇火源能否爆炸，与混合气中可燃气的浓度有关，能引起可燃气体爆炸的浓度范围称为爆炸极限。混合体系的组分不同，爆炸极限不同。对同一混合体系，通常环境温度升高，系统压力增高，爆炸极限范围扩大；混合体系中惰性气体量增加，爆炸极限范围缩小，惰性气体浓度提高到某一数值时，混合体系就不能爆炸。二、可燃性混合气体爆炸极限的计算及危险性判定矿井火区内的可燃性气体，是多种可燃性气体的混合体。根据气体爆炸理论，其混合气体的爆炸极限可按里卡特里尔准则进行计算辟l r = e l l + b l 2 + + 只l 。( 2 一1 )式中：p ，一一为单一混合气体i 的体积百分比；l 1 一一为单一混合气体i 的爆炸极限。以某矿工作面封闭火区内可燃混气为例，封闭火区内的可燃气体成分及浓度分别为：c o ，1 1 8 3 ；c h 4 ，1 4 3 ；c 。2 ，2 ，6 ；0 2 ，1 1 5 ；n 2 ，7 3 4 。利用里卡特里尔准则计算出封闭火区可燃混气的爆炸上、下限为1 3 3 ，2 9 ，而封闭火区内可燃混合气体的浓度为1 5 5 ，处在爆炸极限范围内，说明有爆炸危险性。2 1 3 矿井火区可燃气体爆炸抑制技术分析一、火区封闭1 8 1煤矿井下着火时间超过2h 或直接灭火无显著效果，应实施火区封闭。利用里卡特里尔准则计算出火区封闭后可燃混气的爆炸极限，就可以判断有无爆炸危险性。由某矿工作面封闭后气体成分、浓度及其爆炸极限的计算结果可以看出，火8中北大学学位论文区封闭后供氧条件基本杜绝，因c0 不断消耗剩余0 ：生成c o ：，0 ：浓度持续下降但煤层不断涌出的c h 。；因封闭浓度增高，混合气体处在爆炸极限范围内，随着封闭时间加长，c h 。积累增加，混气浓度高于爆炸上限，但一旦封闭火区开启，空气进人会使之重新进人爆炸极限范围。因此，火区开启有爆炸和重新复燃危险，且火区温度高，无法达到火区开启的条件。二、注氦法注氮法可降低封闭区及火源点附近氧浓度和煤温，减缓可燃气体积累的速度，降低爆炸危险。但目前对于注氮防火机理，合理的注氮时间、地点、注氮量、注氮防火使用条件等还没有系统地解决好。此外，由于氮气比热小，煤温不能得到有效降低。高温煤体氧化反应活性仍然很高，复燃趋势明显。三、冷却封堵为降低矿井火区高温煤体的温度，可采用惰泡灭火技术。该技术可降低矿井火区高温煤体的温度、减少漏风、降低采空区氧浓度。但目前的技术稳泡时间能达到3 6h ，在碎煤中压注，发泡性能很差，起泡倍数低，利用率低。对己形成高温的浮煤，需注泡量很大，成本很高，且一旦停止注泡很易复燃。四、凝胶注入法凝胶注入灭火技术是向水中加入少量添加材料，经过一段时间物理、化学反应后便形成凝胶。形成的凝胶固结在煤体中，堵塞漏风、包裹煤体、具有隔绝煤氧接触的性能及阻化性能，减少煤氧化反应速度，降低煤氧化放热量，降低火区的温度及爆炸的危险。对该矿工作面采用凝胶注入灭火技术，凝胶注入后，0 ：浓度有所增高，煤氧复合作用降低。对实测气体产物进行计算，尽管可燃混气仍处在爆炸极限9中北大学学位论文内，但其浓度己接近温度校正后计算的爆炸下限1 6 7 1 。根据理论及以往经验，认为火区已达到启封条件，工作面恢复正常，显示出凝胶注入法良好的灭火、抑爆效果。2 2 抗爆设计理论及应用2 2 1 防爆设备的特点采用了防爆措施的工业设备，在一定程度上具有减小爆炸灾害的能力，为与防爆电气设备相区别。3 ，邓煦帆“”结合欧洲的防爆标准体系将该类设备定义为“非电气防爆设备”，下文提及的防爆设备均指非电气防爆设备。讲到防爆设备，人们很容易联想到压力容器，但是与压力容器设备相比，防爆设备具有以下特点：1 防爆设备工作压力可能很低，设备内部压力仅在爆炸发生时才可能上升，而压力容器的工作压力一般都很高；2 防爆设备按照内、外部所含可燃粉尘或可燃气体的最大爆炸压力决定设计压力，而压力容器的设计压力取决于工艺压力；3 防爆设备承受的爆炸载荷属于动态载荷，而压力容器承受的压力多属于静态载荷；考虑到爆炸是一种发生概率较低的事件，尤其是当设备已经采取了一定的爆炸预防措施时发生爆炸的频率会进一步降低。因此，人们在设计防爆设备时如果按照压力容器采用的常规许用应力法“”来设计，即许用应力取下式中计算结果的最小值，则势必带来诸如浪费材料、设备笨重、设计复杂等问题：尤其是对于容积比较大的设备类似的问题表现得更加突出。【盯】_ 生： a 】- 粤；【仃】- 曼；a ：等( 2 - - 2 ) b胛 h s”；式中 盯 一一许用应力，m p a ；1 0中北大学学位论文一一常温下材料的强度极限，m p a仃。设计温度下材料的强度极限，m p ao - ，一一常温下材料的屈服极限，m p a盯。一设计温度下材料的屈服极限，m p a ；对强度极限的安全系数，一般3n ，对屈服极限的安全系数，一般1 5 0为了解决这一问题，人们在防爆设备设计中也引入了“抗爆设计”的思想，“抗爆设计”有时也称为“抗冲击设计”，在英文文献中常被称为e p s r ( e x p l o s i o np r e s s u r es h o c kr e s i s t a n t ) 设计方法“”“，它与常规压力容器的耐压( e x p l o s i o np r e s s u r er e s i s t a n te p r ) 设计之比较见表2 1 所示。表2 1 抗爆设备设计与压力容器设计比较设计类型设计依据许用应力设备变形再使用前维修情况压力容器材料的弹性压力容器设计无残余变形无需维修设计规范极限以内不受制于压力可以超过材料允许残余变抗爆设备设计也许需要维修容器设计规范的弹性极限形，但不破裂抗爆设计思想的实质是在保证设备具有承受一定爆炸载荷能力的前提下，尽可能地节省材料。这就要求抗爆设计时让结构在爆炸载荷作用下部分或全部地工作在塑性区。所以，抗爆设计的关键和难点在于如何准确分析结构进入塑性状念后的变形及强度。世界上最早有意识的塑性设计起源于1 9 1 4 年的匈牙利“”，之后的研究设计到1 9 3 9 年多用于防止炮弹轰击的掩体，该技术逐渐被人们应用于建筑行业的多层框架结构、桥梁、珩架等结构，1 9 4 8 年英国首先制定在建筑设计中可以使用塑性的国家中北大学学位论文标准“”“。尤其是随着应用塑性力学的一个重要分支一一极限法的发展，塑性设计己经比较广泛的应用于除建筑行业以外的其它领域，比如造船、核能、机械、国防等工业领域m m3 。在粉尘气体防爆领域，美国国家防火协会制定的国家标准“n f p a 6 8 爆炸泄压( 1 9 8 8 版) ”对抗爆容器的设计采用了塑性设计的思想。其具体内容为：在不产生灾难性失效的情况下允许结构有适当的非弹性变形。材料性能的使用程度以材料的断裂极限为准：对于延性材料，许用应力可以取到断裂极限的三分之二；对于脆性断裂材料许用应力不应超过断裂极限的2 5 。而在德国工程师协会1 9 9 0 年制定的技术标准v d l 2 2 6 3 p a r t3 “抗爆容器及设备一一设计、加工和测试”“”中对抗爆容器的设计、计算、制造、测试作出了整套指导性规定。有别于n f p a 6 8 ，v d l 2 2 6 3 p a r t3对材料性能的使用极限是以材料的屈服极限或塑性应变值为判据其规定为：当结构采用铁素体材料时，其许用应力可以达到屈服极限值，或结构的塑性变形达到o 2 ；当采用奥氏体材料时，结构的塑性变形可以达到2 。我国目前还没有类似的标准出版，基于爆炸防护设备的抗爆设计研究还处于起步阶段。总之，抗爆设计既能保证设备有一定的安全水平，同时又能充分发挥材料的潜能。所以，它是一种比较理想的、先进的设计思想。对于防爆设备来说，采用抗爆( e p s r ) 设计是一种国际性的趋势。但是，准确分析结构进入塑性状态后的变形及强度问题是非常困难的。众所周知，传统的许用应力设计方法( 弹性设计法) 之所以被广泛采用，一方面是由于按照材料处于弹性范围内设计将获得较大的安全度；另一方面也是因为弹性设计方法比较简单，易于实现。而按照抗爆设计方法来设计防爆设备时，允许结构发生较大的塑性变形，此时结构将表现出几何和材料的非线性特征，使得结构的本构方程异常复杂难于求解。虽然前文提到的极限分析方法可以用于求解许多具有简单几何形状构件的极限承载能力，但对于具有复杂几何形状的结构极限载荷的研究还远不能满足实际应用的需要“1 。所以极限分析方法很难直接用于抗爆设计和防爆设备的危险性评估“1 。1 2另一方面，爆炸载荷属于与准静态载荷作用下将表现出完荷作用下也将表现出不同的破坏响应情况后才能比较准确的了解对爆炸压力载荷的响应过程中既问的分界面都随时间而变化，因同的本构关系，而且还要处理复上的复杂性，至今还没有人能够中北大学学位论文种随时间变化的动态特性载荷。，材料在动态载荷全不相同的变形特征“3 儿2 “。类似的结构在不同的载形式。”“。因此，只有了解设备结构对该种载荷的设备的抗爆能力。由于材料己进入塑性状态，结构有弹性变形又有塑性变形，这两种变形以及它们之此求解结构动力响应时不仅需要对不同区域采用不杂的动边界问题。由于弹塑性动力响应问题在数学给出任何有限结构的弹塑性动力响应解析解”“。许多关于结构响应方面的有用信息仍然主要来自于军事上炸药爆炸冲击波的效应研究成果。由于粉尘、气体爆炸载荷与凝聚炸药爆炸产生的载荷并不完全一致，因此，许多数据并不能直接应用于突发性粉尘、气体爆炸。”1 。总之，由于问题的复杂性，对于抗爆设计世界上至今仍然没有一套明确、综合的设计规则可用。即便是比较完整的德国标准v d l 2 2 6 3 3 “”也仅仅是一个定性的指导性文件，在许多方面都需要进一步完善和发展，例如标准中规定抗爆设备的结构必须为轴对称圆柱( 锥) 形结构，要绝对避免大平板结构，而实际上大型工业设备经常采用大平板结构，像箱式除尘器、矿用防爆柜、提升机外壳等；另外，对于材料塑性性能使用程度应该使用应力值还是使用应变值作为判定指标，目前尚未定论。无论是美国标准n f p a 6 8 ( 1 9 8 8 版) 规定的许用应力可以取到断裂极限的三分之二，还是德国标准v d l 2 2 6 3 p a r t3 规定的奥氏体金属材料塑性应变可以达到2 ，这些量化指标均为推荐值，一般都偏于保守总之，“抗爆设计”在国际范围内仍处于发展阶段，需要进一步的完善和发展。2 2 2 ，研究现状及基本理论尽管彻底解决结构在爆炸载荷作用下、发生大变形时的强度及安全性问题目前还存在着许多理论上的难点，但是由于抗爆设计思想在非电气防爆设备的开发研制及设备爆炸危险性评估过程中具有极其重要的意义，所以从9 0 年代末类似课题的研1 3中北大学学位论文究便引起了防爆界的关注，国际上一些著名的粉爆研究单位如荷兰国家建筑防护联合体( t n o ) 、英国健康与安全实验室( h s l ) 、德国食品安全研究中心( b g n ) 、挪威米切尔森研究所( c m i ) 及比利时欧洲防爆信息中心( 8 t u v e x ) 等都曾立项进行过或正在进行这方面的实验和理论研究：l ：作。主要的研究方法和内容可以分为几个方面：1 ) 应用极限法分析结构的极限强度。这种方法前文己分析过误差较大，不宜采用：2 ) 直接对工业设备进行动态爆炸试验测试，研究设备的破坏特性，为设备的危险性评估和抗爆设计提供定性的指导或定量化的经验公式。无论是定性还是定量的结论，由于仅来自于特定的试验，所以应用起来具有相当大的局限性。但是，来自于真实工业设备的测试结果尤其是最后的破坏性实验数据对于验证抗爆理论研究结果具有非常重要的价值；3 ) 以特定结构的动态加载试验测试为基础，并利用简化的几何、材料模型或有限元计算来拓宽实验结果，以期达到对于同类结构在一定范围内使用该结论的目的；4 ) 结构在粉尘、气体爆炸载荷作用下的动态响应研究。随着计算机应用水平的不断提高，人们日趋采用计算机数值模拟的办法来处理复杂和难于求解的工程问题。在抗爆设计中，结构变形进入到塑性状态，本构方程中将出现几何和材料的非线性特征，很难求其解析解。而采用非线性有限元方法求其数值解却比较方便。对于非线性问题，目前国际上己经丌发出了多套非线性有限元计算软件，可以用于求解大变形、大转动、大应变等非线性问题。实验测试和有限元分析结合正在成为确定结构弹塑性极限承载能力的一种重要途径。“。一、美国爆炸研究所基本理论1 9 8 5 1 9 8 6 年美国爆炸研究所的研究者们。3 1 为了研究工业设备的抗爆性，对系列结构和设备进行了实际测试研究。这些结构和设备主要包括两类：1 基本结构圆板、有筋方板：2 工业设备小型料仓、管道、旋风除尘器、斗式提升机、风机。1 4中北大学学位论文为了解设备变形及破坏形式，实验或者先逐步施加静载，最后通过爆炸导致设备破裂失效，或者直接通过逐步提高爆炸动载荷直至破坏。所有这些实验均采用实际工业设备，其测试结果真实地反映了生产设备在遭受爆炸载荷后的变形及破坏情况，对于后人研究结构对爆炸载荷的响应及防爆设备的结构安全性具有非常重要的利用价值。通过对大量的实验现象和结果的分析，美国爆炸研究所对防爆设备的设计和加工提出4生局部了如下建议：板间焊接要采用双面焊接避免在角部焊接；盲板螺栓联结改为法兰夹紧；设置设备上的加强筋要小心，因为加强筋可能提高设备的整体强度，但会产应力集中。遗憾的是研究者许用应力法仅对螺栓行了比较简单的分析1 螺栓联结薄板们未对这些测试结果进行深层次的理论分析，仍然利用传统的联结、法兰加紧和焊接三种边界条件下薄板的最后破坏载荷进和比较。假定全部水平薄膜力载荷等于垂直外载荷的前提下，通过计算联结螺栓周边薄板材料压应力，并由其不能超过材料的屈服极限条件，得出了薄板最高耐压与薄板材料、薄板几何尺寸及联结螺栓之间的关系：p 茎4 0 a 西d 2( 2 - 3 )式中：p 一最高耐压；盯。一一拉伸屈服应力；n 螺栓个数；a 一一螺栓与薄板间的有效接触面积系数；d 一一螺栓直径；1 5中北大学学位论文t 薄板厚度；d 一一薄板受载面直径。2 法兰夹紧薄板从夹紧力与外载荷平衡出发，推导了夹紧薄板的耐压能力关系如式( 2 - 4 ) 。p s 瓦4 v f r c 肾氏+ 4 ：w 窘o2c za ，式中：v 摩擦系数；f 一一法兰央紧力；4 ，薄板受载面积；如一一薄板被夹紧面积；d n 一一薄板初始直径；d 。一一夹紧法兰内直径；薄板初始滑动时中心的变形。由于法兰的夹紧力不易测定，该式无法与实验结论相比较。3 焊接薄板当板的横向变形远远大于板的厚度时，板承受的弯矩可以忽略不计。在忽略周向应力的前提下，t i s m o s h e n k o 给出了板周边的径向应力表达式：删s z s 3 厚s ，式中：，一一材料屈服应力，m p a ：e 一一杨氏弹性模量，m p a ：p 施加的载荷，n ：d 一一薄板直径，r a i n ：t 一一薄板厚度，m m 。1 6中北大学学位论文利用该式来推测旋风除尘器焊接顶板的强度时，发现对于直径较小的焊接薄板结果比较一致，而对于较大直径的薄板则相差较大。二、英国健康与安全联合体基本理论二十世纪9 0 年代，人们为了更快和有效地推广防爆新知识和新方法，进行防爆专家系统的开发研究是一种非常有效的途径。由英国健康与安全联合体( h s e ) 组织开发的d u s t e x p e r t ”2 1 系统是比较成功的一个代表，目前该软件在英国和欧盟其他一些国家也得到了推广应用。在研发该套系统时，如何评估系统工艺设备的强度是一个重要的研究内容。从1 9 9 3 1 9 9 6 年h s e 下属的健康与安全实验室( h s l ) 与英国s a l f o r d 大学联合，通过几何和物理简化理论分析、非线性有限元计算和实验验证相结合的方法在这方面进行了系统性的研究。研究内容主要包括圆板、方板、矩形板等通用结构承受上升载荷时的大变形破坏行为特征，以及属于板与管道联结( 圆管与方板、圆管与圆板、方管与方板、方管与圆板) 的复合结构，按照压力容器设计和制造时的规定设备部件开孔后势必要削弱原部件的强度，开孔处必须要另外加强，但是在实际工业生产中，设备上开孔如入孑l 、观察口、通风口等一般均不加强，分析类似结构在遭受爆炸载荷发生大变形时的破坏行为特征是h s l 研究板与管道组合结构的主要目的。1 圆板m 1仅考虑薄膜应力、忽略边界弯矩，并且作了如下假定：a 板边界可自由转动无平动：b 板变形后形状为球形：c 忽略周向应变和应变强化，径向应变为均值常量应变：d 板的边界转动很小，允许三角函数近似计算的前提下，得出了平面圆板最大变形接近2 0 倍板厚时均匀压力载荷与板中心变形、最大径向塑性应变之间的关系如下：1 7中北大学学位论文p = 9 8 a 。( d ) 占o5占= o 6 1 d g o5( 2 - 6 )p = 1 6 1 0 y 8 ( h d 2 )式中：p 一一压力载荷，m p a ：民板材料的屈服极限，m p a ；h 一一圆板厚度，n l n l ：d 圆板受力面积直径，i i l m ：s 一一板内径向应变，：盯板心变形，m m 法兰夹紧纯铝材质爆破片破坏前的变形与上式相当符合，但是周边焊接的低碳钢钢板的受载变形实验测试结果与上式有一定的误差。用非线性有限元方法对周边焊接圆板也进行了计算分析，并得出圆板周边最大应变与外载荷之间的关系式( 2 7 ) ，由于该式表示板周边最大应变而非平均应变，故对载荷的估测值偏低。p = 6 2 1 0 e c r y ( e + o - ，e ) ( h d ) o2( 2 7 )式中：h 一一圆板厚度，m m ；d 一一圆板受载面积直径，m m ：占圆板周边最大应变，。2 方板同圆板的分析方法类似，同样作了一些假定：a 方板变形后成为球形的一个部分：b 考虑径向应变，且假定应变为常量：c 忽略弹性应变。推导出板内应变与板受载荷之间的关系为p = 4 9 h a 一5 a( 2 - 8 )式中：h 板厚度，m i l l ；1 8中北大学学位论文a 一一方板边长，【i l i n ：s 板内径向应变，。由于该公式假定条件a 与实际情况相差比较大，因此与实验测试结果不符。后来利用非线性有限元方法分析计算，仍以板边中点的应变( 板内最大应变) 作为变量，拟合出应变与外载之间的关系为p a o5 e h o5 = ( 4 8 1 0 占+ 6 2 1 0 。9 ) 盯。( 2 - 9 )该式与实验结果比较一致，由给定应变值可求出设备承受的压力。3 矩形板m 1仍利用非线性有限元方法，在方板研究的基础上，通过调整矩形长、短边之比进行计算机数值实验，并经曲线拟合得以下公式p a o5 e h o5 = ( 4 8 1 0 占+ 6 2 1 09 ) 盯。，= 0 6 5 + 0 3 5 ( e 一3 0 。1( 21 0 )式中：x 矩形长、短边之比：s 一一矩形长边中点处应变。4 圆形管道与方形平板的组合。”h s e 未进行理论分析，只进行了有限元分析计算和试件的实验测试，测试结果表明塑性变形首先出现在方板边缘中点，此时经有限元计算模拟出最大应变与外载的关系为( 2 一1 1 ) 式，随着载荷的加大，圆管和方板的联结处开始发生塑性变形，此处的最大应变与外载的关系表示为( 2 一1 2 ) 式s = 1 5 7 ( 尸e ) ( 口而) ( d ( 以d ) ) o0 4 3 0 0 0 1 2( 2 - 1 1 )占= 1 5 7 ( p e ) ( a h ) ( d ( a d ) ) o “3 0 0 0 1 3 4( 2 - 1 2 )式中：h 板、管的厚度，l l l m ：a 方板边长，m m ：d 一一圆管直径，m i n ：1 9中北大学学位论文占管、板结合处最大应变，。5 圆形管道与圆平板的组合对类似结构的两种不同焊接形式的试件进行了测试，一种是圆管和圆板平面焊接，另一种是圆管插入圆板后焊接。对两种试件加压，测试结果显示了比较相似的破裂失效形式，均是管和板焊缝处某一较薄弱处首先破裂，然后沿着焊缝扩展。h s e 未对实验结论作理论分析，仅对圆管和园板平面焊接试件进行了有限元数值计算分析，并对联结处和园板周边最大塑性应变与外载、结构几何参数之间的关系给出了经验公式：联结焊缝占= 磊p 丽) ( 争“( 五笔) 。”3 一o _ 0 1( 2 一1 3 )圆板周边当d d 3u0 5 m m t 3u0 5 n u n t i m m 时州熹节1c 刍) 02 5当d d 3ui m m ( t z ，缸却玉fi坠+ 堕+ 堕+ z ：o j瓠却a z式中x ，y ，z 是微分体所受的体积力沿坐标分量。3 几何方程和变形连续性方程几何方程表明了应变分量与位移分量之间的关系。而连续性方程则是保证变形物体连续的充分和必要条件，当物体变形时，如能满足连续性方程，则各点的位移是协调的，即不会发生裂缝。在给定载荷与温度分布的情况下，弹性体沿着x ，y ，z方向的变形，可以分别用u 、v 、w 三个位移分量表示，它们通常是坐标x 、y 、z 的函数。描述任一点的应变状态可以用九个应变分量来表示，即三个正应变和六个剪应变。在小变形和小位移的情况下，应变与位移的关系是线性的，其应变分量和位移分量间的几何关系：2 6巩“以如。知殛中北大学学位论文3 u加却ex2 瓦，sy2 面sz2 瓦o uo h