地震救生艙的可靠性研究

【摘 要】本實驗針對實驗室無法模擬地震時建筑物坍塌條件，結合普通力傳感器和有限元應力分析，預估真實地震時救生艙的受力情況，以此對救生艙進行安全性檢測。試驗中運用了SPSS對輕量物體撞擊下得出的實驗數據進行擬合預測，并通過碰撞力學公式對所得的數據進行檢驗。而后運用有限元應力分析的方法，檢驗在預測受力條件下救生艙是否會被破壞。僅將此方法作為條件不足時的替代，并在實驗室范圍內運用。

【關鍵詞】地震模擬；數據預測；有限元仿真；實驗室替代

一、引言

地震突發時，逃生困難，于是設計了一種應急避難救生艙，為受難人員提供一個相對安全的小環境，靜待救援。但由于實驗室無法模擬建筑物坍塌、重物砸落的環境，不能完成過重物體砸落時的碰撞力檢測。通過使用普通力傳感器CZLYB-3（量程為3000N），檢測1.8米高度下，輕量物體自由降落時對救生艙模型產生的沖擊力。對數據進行曲線擬合，預估1噸重物砸落時的最大沖擊力。而后對模型進行有限元應力分析，查看在不同碰撞情況下救生艙是否安全。

二、骨架式救生艙結構

救生艙的設計規格為：救生艙一般規格為高1.2m，可容納一名老年人或兩名小孩，承受單層樓房地板砸落沖擊時不會被破壞。

三、實驗

實驗的模型規格為真實大小的四分之一。本實驗通過6組質量較輕的物品進行碰撞實驗，對其獲得的數據利用spss進行擬合，得到物體質量與救生艙所受沖力變化的函數方程，利用該方程推測真實情況下，坍塌的天花板對救生艙產生的沖力。再將三維仿真軟件與模型碰撞檢測相結合，近似推斷救生艙在真實環境下的狀況。

運用Solidworks軟件的simulation模塊，計算救生艙在未破壞狀況下可承受的最大重載。對模型進行重物砸落實驗，估計每根支柱的受力極限，將此受力極限放在仿真軟件下模擬，以此推斷是否合格。

實驗所選取的對象為每平方米地板樓層重800kg～900kg的樓房，實驗取1噸處理，每層樓防高3米，掉落樓板距離救生艙頂部距離為1.8米。選用型號為CZLYB-3，量程為3000N的力傳感器，選用依次為100g，200g，250g，400g，1kg，2kg的重物，起落點距離模型頂端的距離為2m，起落速度為0。實驗結果如下表所示：

運用spss進行線性擬合結果如下：

上表中R square 越接近于1，說明擬合越好。由函數可知，函數power的應變量會隨著自變量的增加出現負值，考慮到實際力的值不可能為負，所以選用函數。

四、實驗分析

本次試驗是針對重物砸落的背景，由于實驗器材的特殊性，在一定范圍內隨著重物質量的增加，碰撞時間會呈緩慢下降趨勢。但由于數據比較少，使得擬合度較三次函數低，但考慮到實際狀況，仍選用函數：y=2246.127x0.688。函數代入1000（一噸）：y=260276.1107N。規定豎直向下為正方向，由自由落體的特性。

由上可知，物體下落的速度與本地加速度g和下落高度h有關。該實驗中h為定值，h=1.8m；g=9.8。由此可得v=5.94。

由沖量守恒定理知Ft=m（v2-v1），當地震發生時，坍塌的天花板質量較大，故，由此可得Ft=m（v2-v1），又由物體的自由落體知，又因為碰撞的時間t>0，故m與F成正相關。

用spss擬合的函數應選power函數，即冪函數：F=2246.127m0.688。當m=1000.00kg，F=260276.1107N。

由此估算，1噸的重物砸落瞬間可以產生大約F=260276.11N的沖擊力。考慮到可能的砸落點位，按照最極端碰撞方案：單根支柱承受全部沖擊力進行分析。

五、有限元仿真檢驗

對支架底端添加夾具，上端施加方向為豎直向下F=260276.1107N的作用力，通關計算得出支柱受力后的應力分布圖。由圖中數據可知，所選材料為合金鋼，屈服極限為：620.422MPa，支柱豎直方向整體在屈服極限以下，個別位置強度存在危險，可以通過加固危險部位對模型進行優化。

六、實驗結論

本實驗的主要誤差分為兩部分，一是傳感器與模型放置可能引起的實驗誤差；二是物體每次下落的高度可能存在誤差。為了降低誤會對數據真實性的影響，可以增加緩沖裝置，減緩碰撞時間，減小沖擊力，加固危險部位，進一步增強模型的強度。

本實驗的創新在于通過實驗數據來預測地震破壞。通過這種方法，節約了實驗成本，降低了實驗的危險系數。試驗中運用了SPSS對輕量物體撞擊下得出的實驗數據進行擬合預測，并通過碰撞力學公式對所得的數據進行檢驗。最后運用有限元應力分析的方法，檢驗在預測受力條件下救生艙是否會被破壞，由有限元分析可知救生艙肋板有2處出現應力超標現象。對該區域可以通過增加截面積來減小應力，即可以對應力超標處加粗。

參 考 文 獻

[1]鄭煥武.幾種碰撞時間計算公式的推導[J].西昌學院學報.2006，20（2）：34～38