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【摘 要】本实验针对实验室无法模拟地震时建筑物坍塌条件，结合普通力传感器和有限元应力分析，预估真实地震时救生舱的受力情况，以此对救生舱进行安全性检测。试验中运用了SPSS对轻量物体撞击下得出的实验数据进行拟合预测，并通过碰撞力学公式对所得的数据进行检验。而后运用有限元应力分析的方法，检验在预测受力条件下救生舱是否会被破坏。仅将此方法作为条件不足时的替代，并在实验室范围内运用。
【关键词】地震模拟；数据预测；有限元仿真；实验室替代
一、引言
地震突发时，逃生困难，于是设计了一种应急避难救生舱，为受难人员提供一个相对安全的小环境，静待救援。但由于实验室无法模拟建筑物坍塌、重物砸落的环境，不能完成过重物体砸落时的碰撞力检测。通过使用普通力传感器CZLYB-3（量程为3000N），检测1.8米高度下，轻量物体自由降落时对救生舱模型产生的冲击力。对数据进行曲线拟合，预估1吨重物砸落时的最大冲击力。而后对模型进行有限元应力分析，查看在不同碰撞情况下救生舱是否安全。
二、骨架式救生舱结构
救生舱的设计规格为：救生舱一般规格为高1.2m，可容纳一名老年人或两名小孩，承受单层楼房地板砸落冲击时不会被破坏。
三、实验
实验的模型规格为真实大小的四分之一。本实验通过6组质量较轻的物品进行碰撞实验，对其获得的数据利用spss进行拟合，得到物体质量与救生舱所受冲力变化的函数方程，利用该方程推测真实情况下，坍塌的天花板对救生舱产生的冲力。再将三维仿真软件与模型碰撞检测相结合，近似推断救生舱在真实环境下的状况。
运用Solidworks软件的simulation模块，计算救生舱在未破坏状况下可承受的最大重载。对模型进行重物砸落实验，估计每根支柱的受力极限，将此受力极限放在仿真软件下模拟，以此推断是否合格。
实验所选取的对象为每平方米地板楼层重800kg～900kg的楼房，实验取1吨处理，每层楼防高3米，掉落楼板距离救生舱顶部距离为1.8米。选用型号为CZLYB-3，量程为3000N的力传感器，选用依次为100g，200g，250g，400g，1kg，2kg的重物，起落点距离模型顶端的距离为2m，起落速度为0。实验结果如下表所示：
运用spss进行线性拟合结果如下：
上表中R square 越接近于1，说明拟合越好。由函数可知，函数power的应变量会随着自变量的增加出现负值，考虑到实际力的值不可能为负，所以选用函数。
四、实验分析
本次试验是针對重物砸落的背景，由于实验器材的特殊性，在一定范围内随着重物质量的增加，碰撞时间会呈缓慢下降趋势。但由于数据比较少，使得拟合度较三次函数低，但考虑到实际状况，仍选用函数：y=2246.127x0.688。函数代入1000（一吨）：y=260276.1107N。规定竖直向下为正方向，由自由落体的特性。
由上可知，物体下落的速度与本地加速度g和下落高度h有关。该实验中h为定值，h=1.8m；g=9.8。由此可得v=5.94。
由冲量守恒定理知Ft=m（v2-v1），当地震发生时，坍塌的天花板质量较大，故，由此可得Ft=m（v2-v1），又由物体的自由落体知，又因为碰撞的时间t>0，故m与F成正相关。
用spss拟合的函数应选power函数，即幂函数：F=2246.127m0.688。当m=1000.00kg，F=260276.1107N。
由此估算，1吨的重物砸落瞬间可以产生大约F=260276.11N的冲击力。考虑到可能的砸落点位，按照最极端碰撞方案：单根支柱承受全部冲击力进行分析。
五、有限元仿真检验
对支架底端添加夹具，上端施加方向为竖直向下F=260276.1107N的作用力，通关计算得出支柱受力后的应力分布图。由图中数据可知，所选材料为合金钢，屈服极限为：620.422MPa，支柱竖直方向整体在屈服极限以下，个别位置强度存在危险，可以通过加固危险部位对模型进行优化。
六、实验结论
本实验的主要误差分为两部分，一是传感器与模型放置可能引起的实验误差；二是物体每次下落的高度可能存在误差。为了降低误会对数据真实性的影响，可以增加缓冲装置，减缓碰撞时间，减小冲击力，加固危险部位，进一步增强模型的强度。
本实验的创新在于通过实验数据来预测地震破坏。通过这种方法，节约了实验成本，降低了实验的危险系数。试验中运用了SPSS对轻量物体撞击下得出的实验数据进行拟合预测，并通过碰撞力学公式对所得的数据进行检验。最后运用有限元应力分析的方法，检验在预测受力条件下救生舱是否会被破坏，由有限元分析可知救生舱肋板有2处出现应力超标现象。对该区域可以通过增加截面积来减小应力，即可以对应力超标处加粗。
参 考 文 献
[1]郑焕武.几种碰撞时间计算公式的推导[J].西昌学院学报.2006，20（2）：34～38
【关键词】地震模拟；数据预测；有限元仿真；实验室替代
一、引言
地震突发时，逃生困难，于是设计了一种应急避难救生舱，为受难人员提供一个相对安全的小环境，静待救援。但由于实验室无法模拟建筑物坍塌、重物砸落的环境，不能完成过重物体砸落时的碰撞力检测。通过使用普通力传感器CZLYB-3（量程为3000N），检测1.8米高度下，轻量物体自由降落时对救生舱模型产生的冲击力。对数据进行曲线拟合，预估1吨重物砸落时的最大冲击力。而后对模型进行有限元应力分析，查看在不同碰撞情况下救生舱是否安全。
二、骨架式救生舱结构
救生舱的设计规格为：救生舱一般规格为高1.2m，可容纳一名老年人或两名小孩，承受单层楼房地板砸落冲击时不会被破坏。
三、实验
实验的模型规格为真实大小的四分之一。本实验通过6组质量较轻的物品进行碰撞实验，对其获得的数据利用spss进行拟合，得到物体质量与救生舱所受冲力变化的函数方程，利用该方程推测真实情况下，坍塌的天花板对救生舱产生的冲力。再将三维仿真软件与模型碰撞检测相结合，近似推断救生舱在真实环境下的状况。
运用Solidworks软件的simulation模块，计算救生舱在未破坏状况下可承受的最大重载。对模型进行重物砸落实验，估计每根支柱的受力极限，将此受力极限放在仿真软件下模拟，以此推断是否合格。
实验所选取的对象为每平方米地板楼层重800kg～900kg的楼房，实验取1吨处理，每层楼防高3米，掉落楼板距离救生舱顶部距离为1.8米。选用型号为CZLYB-3，量程为3000N的力传感器，选用依次为100g，200g，250g，400g，1kg，2kg的重物，起落点距离模型顶端的距离为2m，起落速度为0。实验结果如下表所示：
运用spss进行线性拟合结果如下：
上表中R square 越接近于1，说明拟合越好。由函数可知，函数power的应变量会随着自变量的增加出现负值，考虑到实际力的值不可能为负，所以选用函数。
四、实验分析
本次试验是针對重物砸落的背景，由于实验器材的特殊性，在一定范围内随着重物质量的增加，碰撞时间会呈缓慢下降趋势。但由于数据比较少，使得拟合度较三次函数低，但考虑到实际状况，仍选用函数：y=2246.127x0.688。函数代入1000（一吨）：y=260276.1107N。规定竖直向下为正方向，由自由落体的特性。
由上可知，物体下落的速度与本地加速度g和下落高度h有关。该实验中h为定值，h=1.8m；g=9.8。由此可得v=5.94。
由冲量守恒定理知Ft=m（v2-v1），当地震发生时，坍塌的天花板质量较大，故，由此可得Ft=m（v2-v1），又由物体的自由落体知，又因为碰撞的时间t>0，故m与F成正相关。
用spss拟合的函数应选power函数，即幂函数：F=2246.127m0.688。当m=1000.00kg，F=260276.1107N。
由此估算，1吨的重物砸落瞬间可以产生大约F=260276.11N的冲击力。考虑到可能的砸落点位，按照最极端碰撞方案：单根支柱承受全部冲击力进行分析。
五、有限元仿真检验
对支架底端添加夹具，上端施加方向为竖直向下F=260276.1107N的作用力，通关计算得出支柱受力后的应力分布图。由图中数据可知，所选材料为合金钢，屈服极限为：620.422MPa，支柱竖直方向整体在屈服极限以下，个别位置强度存在危险，可以通过加固危险部位对模型进行优化。
六、实验结论
本实验的主要误差分为两部分，一是传感器与模型放置可能引起的实验误差；二是物体每次下落的高度可能存在误差。为了降低误会对数据真实性的影响，可以增加缓冲装置，减缓碰撞时间，减小冲击力，加固危险部位，进一步增强模型的强度。
本实验的创新在于通过实验数据来预测地震破坏。通过这种方法，节约了实验成本，降低了实验的危险系数。试验中运用了SPSS对轻量物体撞击下得出的实验数据进行拟合预测，并通过碰撞力学公式对所得的数据进行检验。最后运用有限元应力分析的方法，检验在预测受力条件下救生舱是否会被破坏，由有限元分析可知救生舱肋板有2处出现应力超标现象。对该区域可以通过增加截面积来减小应力，即可以对应力超标处加粗。
参 考 文 献
[1]郑焕武.几种碰撞时间计算公式的推导[J].西昌学院学报.2006，20（2）：34～38