刘熠宇 滕子健

摘要:为减小地震灾害对人类造成的生命威胁,提高人类地震中的存活率,本文从设想出发,简述了抗震救生舱的设计思路,并利用solidworks建立实体模型,结合有限元分析的方法对其进行了静态位移、静态节应力的分析,并通过对材料的力学性能指标的计算,最终证实该设计的可使用性。

关键词:地震救生舱力学solidworks有限元分析

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0110-01

本文参考近年来几次大地震中人們的主要伤害来源,发现发生整体坍塌的房屋多为老式砖瓦房、砖木房,新式商品楼房的伤害多为震后二次灾害。通过各方查取资料,完全可以设计一种适合个人使用的小型抗震救生舱。该舱体可以实现如下功能:(1)完全隔离地震中从高空掉落的物品(管道、楼层装饰物)。(2)避免因地震发生的火、电、有毒气体的威胁。(3)提供一个相对稳定的内部环境,并较长时间的维持该状态,给救援工作提供足够的时间。

1模型设想

1.1 模型一

该设计模型为多层刚性壳体(材质为合金钢,杨氏模量:210GPa,屈服强度:0.62GPa),层与层之间不设任何接触物,每层之间有一定的空腔,类似于暖水瓶的双层内胆的结构。

预期作用:当受到外界的碰撞时,壳状结构可以将冲击力分散于整个表面,而当冲击力过大导致外层被破坏时,其下层的壳体仍可继续分散冲击力,通过层层的分散,来保证最内舱体的稳固性。

缺点:体积可能较大,不利于放置;做工复杂,成本较高,不能被大众接受。

1.2 模型二

双层刚性外壳(材质为合金钢,杨氏模量:210GPa,屈服强度:0.62GPa),层间设缓冲物(弹簧、塑胶……),内层增加塑胶保护层。壳体结构与模型一类似,但采用两层结构,同时在两腔体间填充缓冲物,并在最内层增设塑胶保护层。

模型优点:当遭受撞击时,外层壳体受到的冲击力时,能将该力分散到整体的外部结构上,以此降低变形程度。当冲击力过大时,两壳体间层的缓冲填充物能对冲击力进行第一次缓冲,降低冲击力对第二层壳体的破坏,同时第二层又可以分散冲击力,由此提高了模型的抗压能力。在内层增设塑胶保护层,对设计进行第二次缓冲,降低强冲击对内部生命的杀伤力,又增加了内部的舒适度。

2模型与有限元分析

2.1 对壳体的限元分析

为了验证设计模型是否具有使用价值,简化分析方法,我们对综合模型的外壁,进行有限元分析。

2.2 静态位移分析

利用合位移法对壳体进行静态位移分析,模拟时的外加力为2000kN,该力均匀的作用于壳体的外表面。最大变形量为1.152e-001mm,最小变形量为0mm。变形量越小,刚度性能越好,由数据及其具体分布情况如图1所示,变形比为表明,整个模型的顶部、底部的刚性最好,整体模型的中部静态位移量最大,但因变形量达到微米级别,故也具有很强的刚度性能。

2.3 静态节应力分析

利用von Mises应力法分别对壳体进行静态节应力分析,模拟时的外加力也为2000kN,作用方式同上,相当于1cm2上压有500kg的重物。壳体所受的最大应力为64.5MPa,最小应力为0.002MPa,具体区域分布见图2(变形比为1122.2)。已知合金钢的屈服极限为0.62GPa,取安全系数为n=2.5,许用应力。,。由此可知,该模型具有很高的强度和抗压能力。

2.4 结论

由数据可知,单层壳状刚体以具备很强的抗压、抗变形能力。我们采用的综合模型使用的是双层壳状刚体,同时设有两层缓冲层,这又大大提高了救生舱的力学性能,证明了该设计具有很好的使用性能。

3抗震救生舱的实用价值评估

本文从设想开始,考虑实用性、经济等问题,将模型一和模型二结合得到一综合模型。又利用solidworks建出简易模型,并对综合模型进行有限元分析。由相关数据知,该模型具备良好的抗压、抗变形能力。