本文以城市安全紧急避难装置为研究对象,借鉴矿用安全紧急避难装置的设计与研究思路,从耐压性、抗震性、抗冲击性、抗爆性以及热防护性等方面对城市安全紧急避难装置的舱体结构进行设计与研究,同时对该避难装置的舱门进行整体结构设计。通过ANSYS Workbench Environment(AWE)中各模块,对舱体结构进行了模拟仿真,验证所设计的安全避难装置舱体结构的合理性及可靠性。本文主要从以下方面进行了研究:(1)对城市安全紧急避难装置的整体结构进行设计:参照矿用安全紧急避难装置的设计思路,考虑城市安全紧急避难装置所处的工作环境因素,提出了一种外观类似蜂巢结构的新型城市安全紧急避难装置;在现有安全紧急避难装置舱门的基础上,对舱门进行了创新性设计,设计出一种锥齿轮连杆式安全密闭门。(2)对城市安全紧急避难装置的舱体进行结构静力学分析:先在SpaceClaim软件中,对新设计的安全紧急避难装置的舱体结构(即类蜂巢式舱体结构)进行建模;再利用ANSYS Workbench有限元软件中的“Static Structural”分析模块,模拟安全紧急避难装置在受到外部载荷的情况下,舱体的变形情况以及应力和应变分布情况,检验安全紧急避难装置舱体的强度以及刚度是否满足设计要求。(3)对城市安全紧急避难装置的舱体进行结构优化分析:通过利用SpaceClaim与ANSYS Workbench Environment(AWE)协同优化的方法对舱体结构进行了多目标优化设计,通过设计变量与目标函数的响应曲面关系,得出了影响着舱体结构的质量、最大等效应力和最大总变形量的主要因素,通过DOE寻优方式找出类蜂巢式舱体结构的最优解。(4)对城市安全紧急避难装置的舱体进行模态分析:通过利用ANSYS Workbench有限元软件中的“Modal”分析模块,得到了优化后类蜂巢式舱体结构的前十二阶固有频率与前十二阶模态总变形分析云图(振型图),找出了类蜂巢式舱体结构的危险频率与变形严重的位置,从而使结构设计避免共振。(5)对城市安全紧急避难装置的舱体进行抗震分析:通过有限元软件中的“Transient Structural”分析模块,模拟城市安全紧急避难装置的舱体结构在地震载荷作用下的动力响应,得到了在各个时刻舱体的最大总加速度曲线、最大总变形曲线以及最大应力曲线,找出了在整个分析过程中舱体的最大总加速度、最大总变形和最大应力,验证了此类蜂巢式舱体结构满足抗震的使用要求。(6)对城市安全紧急避难装置的舱体进行抗重物冲击分析和自身跌落分析:首先把重物掉落冲击舱体结构和舱体跌落冲击地面问题简化为带有加速度的低速碰撞问题;然后在SpaceClaim软件中建立优化后的舱体结构(即类蜂巢式舱体结构)与刚性墙低速碰撞的仿真模型,舱体结构与刚性地面低速碰撞的仿真模型;最后通过有限元软件中的“Explicit Dynamics”分析模块,进行前处理设置、求解与结果后处理,得到了安全紧急避难装置舱体结构的总变形、等效应力等变化情况,验证了类蜂巢式舱体的合理性,并提出了增强舱体结构强度和刚度的建议。(7)对城市安全紧急避难装置的舱体进行抗爆冲击分析:通过利用有限元软件中的“Autodyn”分析模块,模拟一定质量的TNT在单个房间内发生爆炸的情况,确定了爆炸所产生的冲击波在室内的传播规律,并得到了在各时刻单室内的压力云图以及单室内不同位置点的爆炸压力变化曲线;通过有限元软件中的“Transient Structural”分析模块,模拟类蜂巢式舱体结构在爆炸压力曲线载荷作用下的应力以及变形情况,找出了应力和变形最大的地方,验证了安全紧急避难装置舱体结构满足抗爆冲击性能要求。(8)对城市安全紧急避难装置的舱体进行热防护性能分析:通过利用有限元软件中的“Transient Thermal”分析模块,对安全紧急避难装置的舱体结构进行了瞬态热分析:分别模拟类蜂巢式舱体结构在远离火源以及靠近火源两种边界条件下,舱体各层的传热规律,得到了两种情况下类蜂巢式舱体各层在各个时刻的温度变化云图以及温度变化曲线;同时对两种边界条件下的分析结果进行综合整理分析,验证了安全紧急避难装置舱体的热防护能力满足使用要求。本文对城市安全紧急避难装置舱体结构的耐压性、抗震性、抗冲击性、抗爆性以及热防护性等方面进行了分析研究,得出城市安全紧急避难装置在遇到不同突发(如地震、火灾等)状况时,舱体的等效应力云图及总变形云图等,验证了本文设计的城市安全紧急避难装置结构的可靠性,对城市安全紧急避难装置的设计及制造提供了理论参考,具有较强的科学理论指导意义。