抗震救生艙

劉熠宇 滕子健

摘要:為減小地震災害對人類造成的生命威脅,提高人類地震中的存活率,本文從設想出發,簡述了抗震救生艙的設計思路,并利用solidworks建立實體模型,結合有限元分析的方法對其進行了靜態位移、靜態節應力的分析,并通過對材料的力學性能指標的計算,最終證實該設計的可使用性。

關鍵詞:地震救生艙力學solidworks有限元分析

中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0110-01

本文參考近年來幾次大地震中人們的主要傷害來源,發現發生整體坍塌的房屋多為老式磚瓦房、磚木房,新式商品樓房的傷害多為震后二次災害。通過各方查取資料,完全可以設計一種適合個人使用的小型抗震救生艙。該艙體可以實現如下功能:(1)完全隔離地震中從高空掉落的物品(管道、樓層裝飾物)。(2)避免因地震發生的火、電、有毒氣體的威脅。(3)提供一個相對穩定的內部環境,并較長時間的維持該狀態,給救援工作提供足夠的時間。

1模型設想

1.1 模型一

該設計模型為多層剛性殼體(材質為合金鋼,楊氏模量:210GPa,屈服強度:0.62GPa),層與層之間不設任何接觸物,每層之間有一定的空腔,類似于暖水瓶的雙層內膽的結構。

預期作用:當受到外界的碰撞時,殼狀結構可以將沖擊力分散于整個表面,而當沖擊力過大導致外層被破壞時,其下層的殼體仍可繼續分散沖擊力,通過層層的分散,來保證最內艙體的穩固性。

缺點:體積可能較大,不利于放置;做工復雜,成本較高,不能被大眾接受。

1.2 模型二

雙層剛性外殼(材質為合金鋼,楊氏模量:210GPa,屈服強度:0.62GPa),層間設緩沖物(彈簧、塑膠……),內層增加塑膠保護層。殼體結構與模型一類似,但采用兩層結構,同時在兩腔體間填充緩沖物,并在最內層增設塑膠保護層。

模型優點:當遭受撞擊時,外層殼體受到的沖擊力時,能將該力分散到整體的外部結構上,以此降低變形程度。當沖擊力過大時,兩殼體間層的緩沖填充物能對沖擊力進行第一次緩沖,降低沖擊力對第二層殼體的破壞,同時第二層又可以分散沖擊力,由此提高了模型的抗壓能力。在內層增設塑膠保護層,對設計進行第二次緩沖,降低強沖擊對內部生命的殺傷力,又增加了內部的舒適度。

2模型與有限元分析

2.1 對殼體的限元分析

為了驗證設計模型是否具有使用價值,簡化分析方法,我們對綜合模型的外壁,進行有限元分析。

2.2 靜態位移分析

利用合位移法對殼體進行靜態位移分析,模擬時的外加力為2000kN,該力均勻的作用于殼體的外表面。最大變形量為1.152e-001mm,最小變形量為0mm。變形量越小,剛度性能越好,由數據及其具體分布情況如圖1所示,變形比為表明,整個模型的頂部、底部的剛性最好,整體模型的中部靜態位移量最大,但因變形量達到微米級別,故也具有很強的剛度性能。

2.3 靜態節應力分析

利用von Mises應力法分別對殼體進行靜態節應力分析,模擬時的外加力也為2000kN,作用方式同上,相當于1cm2上壓有500kg的重物。殼體所受的最大應力為64.5MPa,最小應力為0.002MPa,具體區域分布見圖2(變形比為1122.2)。已知合金鋼的屈服極限為0.62GPa,取安全系數為n=2.5,許用應力。,。由此可知,該模型具有很高的強度和抗壓能力。

2.4 結論

由數據可知,單層殼狀剛體以具備很強的抗壓、抗變形能力。我們采用的綜合模型使用的是雙層殼狀剛體,同時設有兩層緩沖層,這又大大提高了救生艙的力學性能,證明了該設計具有很好的使用性能。

3抗震救生艙的實用價值評估

本文從設想開始,考慮實用性、經濟等問題,將模型一和模型二結合得到一綜合模型。又利用solidworks建出簡易模型,并對綜合模型進行有限元分析。由相關數據知,該模型具備良好的抗壓、抗變形能力。