防冲击地压薄壁吸能构件的压溃吸能机理分析

当煤矿井下发生冲击地压时,矿用液压支架的冲击性失效,常常会引起巷道支护系统的破坏,进而引发巷道坍塌,造成矿难。当前通过添加吸能构件来提高支架的防冲击性能是防治巷道冲击地压的有效途径之一。而不同类型吸能构件的压溃变形模式不同,表现出的吸能特性和力学特性也不同。本文采用数值方法对不同类型、支座和壁厚的吸能构件进行了冲击压溃模拟,通过对各相关防冲吸能参数的对比分析可知:预折纹吸能构件支撑反力最大、具有良好的吸能能力,但变形过程稳定性较差;外翻式吸能构件的塑性变形能力强,有效让位行程最大,但支撑力较小,不适合单独使用;扩径式吸能构件变形过程稳定性最好,其塑性变形后的径向位移较小,节省工作空间,但支撑能力较差,适用于小型液压支架或用作其他特殊用途。

锥形薄壁圆管吸能构件设计与吸能特性研究

为提高液压支架在矿井中工作时的防冲性能,文中提出了一种锥形薄壁圆管吸能结构。根据其变形特点建立力学模型,并对其吸能量及平均压溃力进行计算。建立吸能结构的三维模型,通过ABAQUS有限元软件进行数值模拟分析,探究锥形薄壁圆管的锥度、壁厚和导向槽的直径对其轴向压溃的屈曲变形、初始峰值力、平均支反力、吸能总量和吸能效果的影响,并结合试验加以验证。研究结果表明:在不更改吸能构件其他参数的情况下,导向槽的直径降低或吸能构件壁厚的增加,均有利于初始峰值力、吸能总量与平均支反力的提高;锥度的增加,使得吸能构件的平均载荷显著降低,锥形管的加入有效防止了吸能构件在受压变形过程中,变形部件出现胀管和从中部压溃,不按预想的方式压溃的问题。

铝合金蜂窝吸能结构参数优化设计

基于铝合金蜂窝结构轴向平压试验和数值模拟,对不同结构参数的铝合金蜂窝结构吸能特性展开评估,通过对参数质量比吸能增率的引入,表明吸能增率与质量增率为一次线性关系。归纳得出铝合金蜂窝吸能结构参数优化设计的经验公式,经验证明,计算精度超过90%,可实现铝蜂窝吸能结构参数快速优化设计,为轻量化吸能结构的设计提供理论依据。

吸能支护技术在深部岩石工程中的应用

吸能支护在地下岩石工程中能够有效地防治冲击地压发生,减小突发灾害带来的人员伤亡和财产损失。文章从在实际工程运用中较为广泛的吸能支护技术进行了总结与分析,其中包括吸能锚杆的分类和吸能工作机理,O型棚的简要结构及吸能减震机理,吸能防冲支架技术的变形让位吸能特性。吸能支护能很好地对工程围岩释放的能量进行有效地吸收,维持围岩的稳定性。最后通过文献综述了以上三种吸能支护技术在实际工程中应用情况,总结了他们的优势和不足,并其未来发展方向给出了建议。

基于冲能吸能平衡效应的冲击地压巷道分级支护研究

冲击地压是煤炭开采过程中发生的一种动力灾害,主要是由积聚在煤岩中的弹性变形能突然急剧释放造成的,约90%发生在巷道中。巷道冲击破坏不仅与冲击能量直接相关,还与冲击距离远近紧密相关,提出能距比的概念,即冲击震源释放能量与其至巷道距离的比值。根据冲击地压动静载叠加机制和冲能吸能平衡理论,综合考虑冲击震源能距比量级、巷道破坏程度、支护构件吸能、弱结构吸能等特性,建立了巷道围岩冲击矿震稳定性控制模型,分析了冲能、吸能的构成和计算过程,搭建了冲击地压能级与巷道支护强度之间的对应关系,确定了“四高锚网+”为主导技术的煤矿巷道防冲抗震支护体系。根据能距比量级大小,将冲击地压巷道支护安全可靠性分为P1~P4级别,分级对应采取不同支护强度的“四高锚网+”组合支护技术。“四高”锚网支护可对应能距比为102量级的无冲击巷道,“四高锚网+1”(O型钢棚、吸能防冲单元架、围岩弱结构)对应能距比为103量级的冲击地压,“四高锚网+2”对应能距比为104量级的冲击地压,“四高锚网+3”对应能距比为105量级的冲击地压,106及以上量级的冲击危险必须停产、撤人远场处理。结合工程实例进行了巷道防冲支护方案和参数设计,初步验证了理论研究成果的可行性和实用性。研究成果可为我国煤矿冲击地压巷道支护理论研究和工程实践提供一定的参考指导。

偕老同穴海绵启发的仿生结构吸能特性研究

目的为得到质量更轻、吸能效果更好的结构,以自然界中偕老同穴海绵复杂硅质骨针结构为仿生原型,提出一种偕老同穴海绵仿生吸能结构。方法通过有限元仿真对偕老同穴仿生结构和4种对比结构进行准静态压缩仿真,并在此基础上分析不同构型参数对海绵仿生结构吸能性能的影响。结果结果表明,偕老同穴海绵仿生结构在压缩过程中呈现二次受力平台效应,使得其吸能效果优于传统结构,同时当斜肋板位置系数Rkl为0.3时仿生结构的吸能效果最佳。随着斜肋板厚度的增大,结构的比吸能线性增加。从压溃力效率来看,当斜肋板厚度是纵横筋板厚度的1.6倍时,结构的压溃力峰值基本等于平均压溃力,结构压溃力效率达到最优,结构的整体吸能性能效果达到最优。结论本文所提出偕老同穴海绵仿生结构为高刚轻质吸能结构设计提供了参考,在吸能防护领域具有一定的应用前景。

多胞体汽车后防撞吸能器耗能机制研究与结构优化设计

为有效提升后防撞系统耐撞性能以满足碰撞冲击载荷作用下的车辆被动安全需求,研发了6种正多边形镶嵌的多胞体薄壁吸能器。基于简化超折叠单元理论分析了截面参数和肋板连接方式对薄壁吸能器的能量耗散途径与影响机制;采用ABAQUS数值仿真探究了各种吸能器吸能特性,同时揭示了正八边形截面、肋板对边连接的薄壁吸能器吸能特性优异;依托拉丁超立方试验方法和基于Kriging代理模型的NSGA-II遗传算法进行多目标优化,确定了吸能器内薄壁管截面尺寸、管壁和肋板厚度分别为18.073 mm、1.669 mm、1.924 mm。结果分析表明,参数优化后的正八边形多胞体吸能器压溃吸能过程平稳可靠,能够为后防撞系统吸能器的结构设计提供参考。

小当量近场爆炸冲击下CFRP层合板失效机理及吸能特性

为研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在小当量近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性,对CFRP层合板分别开展了自由场爆炸试验和扫描电镜试验。同时,建立采用3D Hashin失效准则的复合材料层合板损伤模型,针对近场爆炸冲击下CFRP层合板的动响应行为进行了数值模拟,结合试验结果分析了CFRP层合板在近场爆炸冲击下的失效机理及吸能特性。结果表明:CFRP层合板迎爆面与背爆面失效模式存在差异,层合板迎爆面受到冲击波直接作用,出现基体开裂、纤维断裂或中心穿孔失效,分层出现在纤维⁃基体界面;背爆面由于反射拉伸波的作用,出现大面积的分层失效与裂片飞出,分层出现在基体内部。在层合板动响应过程中,高应力区域集中在穿孔区域边界,沿纤维方向分布,0°与90°铺层的应力水平高于±45°铺层。与迎爆面相比,背爆面处的层合板吸收转化大部分能量,约占总吸能的52%~56%。

正弦波纹管填充乳化液式吸能构件吸能特性研究

预折纹式吸能构件是目前冲击地压矿井中唯一使用的吸能结构,具有优异的吸能特性,但在屈曲变形过程中存在载荷波动较大、由于摩擦的作用产生火花等问题。针对上述情况,设计了一种正弦波纹管(变径圆管)填充乳化液构成固液耦合体吸能构件(组合构件),研究了波纹管壁厚、母线振幅与出液口直径三个因素对吸能构件吸能特性的影响。建立平均载荷、载荷波动系数与比吸能的预测模型,利用Abaqus有限元软件的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)粒子算法对模型进行流固耦合分析,通过响应面法对吸能构件的结构参数进行寻优并得到优化结果。研究结果表明,当波纹管壁厚3.959 mm,母线振幅3.721 mm,出液口直径22.161 mm时的吸能构件吸能特性最佳,平均载荷为438.684 kN,载荷波动系数为1.178,比吸能12.123 kJ/kg。通过对比验证,结果具有较高的可信度,为防冲支护装备的吸能环节提供了一种优越的吸能构件。

锚索丝轴向受力-破断能量聚散演化与吸能防护机理

针对深部高应力巷道顶板锚索在拉伸、剪切、扭转等复合作用下,积聚应变能瞬间释放,引发锚索抽丝破断弹射事故,严重影响煤矿安全生产。以张集矿1421(3)锚索支护巷道为工程背景,运用理论分析、数值模拟、实验室试验相结合的研究方法,揭示锚索-围岩能量孕育演化机制与锚索防护装置吸能防护机理。结果表明:由锚索丝单轴拉伸试验与全量本构模型得到锚索丝破断应变能密度为55 MJ/m^(3),锚索丝破断弹射释放能量与锚索丝破断长度、轴力、直径呈正相关。根据数值模拟,锚索距顶板0.6 m处剪切应力集中,易发生锚索抽丝破断弹射,长度0.8 m锚索丝弹射初速度为102 m/s。通过仿真模拟结合强度理论,原方案锚索吸能防护装置冲击荷载极限为20 m/s,增加锚索防护装置底座护壁使冲击荷载极限提升至200 m/s,有效解决锚索丝冲击防护装置偏转失效问题。基于锚索防护装置静态拉伸试验与自由落体冲击试验对数值模拟结果进行可靠性验证,获得防护装置最大吸能阈值为1189 J;无护壁防护装置弹簧底座在冲击力作用下产生侧向偏移,弹簧底部剪切破坏;增加弹簧底座护壁,可有效约束底座偏移,充分发挥弹簧拉伸吸能特性,防止弹簧剪切损伤后失效,试验结果与数值模拟结果相符。研究成果为同规格锚索巷道支护设计、锚索抽丝破断弹射与防护提供借鉴。

液压支架立柱防冲吸能构件优化仿真及压溃实验研究

液压支架作为煤炭开采主要支护设备,经常受到冲击地压影响,防冲吸能构件起到保护液压支架作用,为获得更大的初始支反力峰值与吸能量、更小的支反力分散度,对吸能构件参数细化并通过ABAQUS有限元软件进行吸能构件的建模与压溃冲击仿真,获取吸能构件的吸能性能及屈曲变形形态,验证最优尺寸的吸能性能;对比吸能构件平均支反力的预测数据与有限元仿真数据,误差在15%以内,最优尺寸构件的平均支反力模型预测误差为−3.40%,验证吸能构件预测模型所预测数据较为准确;搭建吸能构件压溃实验台,选择5种加载速度,以准静态压溃方式对定制加工的吸能构件进行轴向加载压溃实验,实验结果表明:不同加载速度轴向压溃实验,支反力波动基本一致,最大初始支反力峰值为2253.52 kN,最大支反力标准差为206.23 kN,最小初始支反力峰值为2096.26 kN,最小支反力标准差为189.83 kN,初始支反力峰值的平均值为2149.32 kN,支反力标准差平均值为196.77 kN;不同压溃速度下的轴向压溃实验数据与吸能构件有限元仿真数据对比,初始支反力峰值、支反力标准差的相对误差分别为5.6%、11.07%;对最优尺寸吸能构件通过预测模型法、有限元仿真法、压溃实验法三种方法进行吸能性能分析,预测模型法的平均支反力为1879.7 kN,有限元仿真法的平均支反力为1945.9 kN,压溃实验法平均支反力为1919.8 kN,预测模型误差3.41%,压溃实验误差−1.3%,通过3种方法的数据验证结果,证明了吸能构件分析方法的可靠性和可行性。

锚杆支护吸能调控效应理论解析与数值模拟

为揭示锚杆的支护吸能调控效应及巷道围岩能量场分布规律,采用理论分析、数值模拟方法研究了锚杆支护巷道围岩能量分布特征。首先,采用经典的弹塑性理论及能量守恒定律,分析了支护巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,给出了锚杆吸能表达式;其次,基于有限差分FLAC3D软件及内嵌的Fish语言编程,开发了能量单元模块,模拟揭示了锚固体的预应力扩散和释能特性;再次,通过单元网格遍历循环的方式计算了巷道围岩中各岩体单元的能量,获得了巷道围岩总变形能、弹性变形能和耗散能的数值及分布特征;最后,揭示了开挖与锚杆支护条件下巷道围岩能量场分布规律,从能量调控角度确定了锚杆合理的长度、间排距等支护参数。研究结果表明:锚杆主要以提高围岩体力学参数及转化吸收能量的方式来调控巷道围岩能量场的分布和耗散特征;随着锚杆间排距缩小和锚杆长度增大,巷道围岩最大耗散能密度呈降低趋势。

固体运载火箭铁路运输侧翻吸能系统技术研究

对固体运载火箭在铁路运输过程中出现侧翻异常工况下的安全性进行研究,在调研、分析多种减振吸能方案的基础上,提出了缓冲气囊和蜂窝金属组合的侧翻吸能系统技术方案。采用Hypermesh和LS-DYNA软件进行侧翻仿真计算,结果表明:该方案可将火箭侧翻跌落的加速度由27g降为8.91g,发射筒与车厢的接触碰撞力由382.59kN降为无接触,可明显提高固体运载火箭在铁路运输侧翻等异常工况下的生存能力,为后续固体运载火箭专用铁路车的设计提供重要指导。

蜂窝夹层结构汽车吸能盒吸能特性研究

本文研究对象为低速碰撞交通事故中起吸能作用的吸能盒,通过研究汽车吸能盒的结构参数找到提升其吸能特性的合理结构,分别以六边形、类四边形和类蜂窝夹层结构填充吸能盒,运用理论分析与数值仿真相结合的方法对传统吸能盒和蜂窝填充结构汽车吸能盒进行吸能特性研究,提升传统吸能盒的吸能特性。研究结果显示:通过填充后,吸能盒的吸能特性得到大幅提升,并且类蜂窝夹层结构吸能盒还降低了传统吸能盒的碰撞力峰值,具有重要的创新性,为汽车吸能盒的发展提供了一种新的选择,同时为汽车的安全性设计提供了重要的参考依据。

矿用单元式液压支架立柱“井”形防冲吸能构件特性分析

为了解决目前煤矿井下巷道支护设备和支护材料在冲击地压作用下发生损坏破坏和失效的问题,设计研发了一种新型多肋板吸能构件。首先,根据防冲支架吸能构件的作用原理,明确了吸能构件的设计要求,提出了一种多肋板型吸能构件,对吸能构件的构型和截面形状展开了结构设计,给出了多肋板型吸能构件尺寸图与三维模型图;基于简化的超折叠单元理论剖析了“井”形管的能量耗散途径,推导出了“井”形管的平均支反力预测公式;其次,采用数值模拟方法对多肋板型吸能构件吸能特性展开了仿真研究,并探究了肋板厚度和不同材料对多肋板型吸能构件的吸能性能的影响,得出了肋板厚度和材料显著影响吸能性能的结论。最后,利用MATLAB的遗传算法进行了优化,利用参数优化结果,重新设计了多肋板型吸能构件,并进行了仿真试验,将仿真试验与压溃试验的结果进行对比分析。分析表明,遗传算法迭代的多肋板型吸能构件具有较好的能量吸收参数,在平台阶段支撑反力的波动较小,能量吸收过程相对稳定,能有效达到能量吸收的效果。

地铁车辆前端组合式吸能结构的研究与分析

介绍了一种新型的地铁车辆前端吸能结构,将成熟吸能元件与组合式吸能结构模块化,利用有限元软件进行动态碰撞仿真计算,模拟车辆前端吸能结构的碰撞形态、分析吸能过程,对车辆碰撞界面力值、车体变形量、能量吸收值进行计算,最后通过碰撞试验验证车辆前端吸能结构的变形吸能稳定性,试验与仿真结果匹配,能够满足车辆碰撞标准要求。

鼻吸能量棒中挥发性成分的GC-MS法检验

鼻吸能量棒在中小学生中的风靡引起社会各界的普遍关注和极大担忧,对其成分进行检验可为明确其是否具有身体危害性提供依据。利用固相微萃取结合气相色谱-质谱法(GC-MS)对收集到的15个品牌21种不同气味的30个鼻吸能量棒样品进行检验,共检出69种化合物,除包装标明的樟脑、冰片、薄荷脑所含有的左旋樟脑、右旋樟脑、龙脑、异龙脑、薄荷醇等主要成分外,还检出化妆品行业常用溶剂C11、C12、C13、C16的异构烷烃和丰富的烯烃、酯类、醇类、醛类等植物精油、合成香料原料及中间体成分。对相同品牌不同气味、不同品牌相同气味的鼻吸能量棒检出成分进行综合分析和分类比对,结果表明,鼻吸能量棒成分复杂,含量各异,且与包装标示不符,长期滥用能够危害人的身体健康,加之使用方式有诱导吸毒的负面示范效应,急需规范整治。

支撑物对预折纹吸能构件力学特性研究

随着煤矿开采深度的增加对液压支护设备抗压能力提出更高的要求,为了提高矿用支护设备的力学性能及减缓冲击地压对其造成的破坏影响,本文通过对现有预折纹吸能构件内部布置不同支撑物对其力学性能及吸能效果进行了研究分析,采用理论计算与数值模拟相结合的方法加以验证。最终,结果表明吸能构件增加支撑物后降低了载荷波动增强了吸能性能,提高了支护设备的抗冲击能力。

周向约束对木材压缩吸能特性的影响

通过准静态压缩试验,考察轻木、泡桐、杉木、毛白杨4种木材在周向约束条件时,顺纹和横纹的压缩力学行为、破坏形态、吸能特性,并利用t检验分析其差异显著性。结果表明:①周向约束木材的顺纹压缩应力-应变曲线仍表现为“三阶段”特征,周向约束可抑制木材剪切扩展、大幅屈曲变形等非稳态破坏,曲线平台阶段应力基本与破坏强度持平。②泡桐、杉木、毛白杨顺纹压缩的吸能能力、平台阶段平稳性显著提高,其单位体积吸能值分别提高了15.51%、53.02%、48.15%,理想吸能率增大了35.93%、24.24%、86.00%。③周向约束木材的径向与弦向压缩力学行为、吸能特性相似,木材压头侧边纤维受试样中部拉伸和剪切作用发生竖向剥离,并沿压缩方向产生裂纹。④与无约束压缩相比,周向约束轻木、泡桐横纹压缩应力-应变曲线形状无明显变化,径向压缩单位体积吸能值分别提高了325.51%、182.60%,弦向压缩单位体积吸能值分别提高了430.57%、255.66%;杉木、毛白杨周向约束时横纹压缩应力-应变曲线变为无平台区的“两阶段”形式,理想吸能率均显著降低。

用于隧道减震的叠层剪切吸能结构剪切性能试验研究

提出一种新型叠层剪切吸能(LSED)结构改变衬砌连接方式,能够保证隧道在轴向上具有良好的变形能力和在环向上具有较好的抵抗变形的刚性能力。基于LSED结构的竖向承载和剪切变形能力开展LSED结构的室内剪切试验和数值试验研究,利用变异系数法评价橡胶剪切模量、橡胶层单层厚度、橡胶层层数和结构有效直径等因素对LSED结构水平剪切性能影响的权重。最后,利用有限元软件ABAQUS建立LSED结构-隧道衬砌-围岩三维精细化工程模型,并采用动力时程分析方法对其地震响应进行分析。研究结果表明:在压剪状态下,结构整体位移由下到上逐渐增大,橡胶层的受拉区主要集中在外侧边缘,拉应力及其分布面积由两端向中间逐渐减小,上表面的最大名义主应变最大值由上到下逐渐减小;钢板层较大应力区域主要分布在靠近上下封板部位。设计因素中橡胶剪切模量和结构内部钢板直径对LSED结构的水平等效刚度的影响更为显著;LSED结构的设置能有效降低衬砌的地震响应,且减震率达到45%以上。