煤矿井下救援基站的结构动力学研究

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本文以煤矿井下救援基站为研究对象,以实际矿井中瓦斯及煤尘爆炸所产生的非轴对称载荷为载体,采用近似法和解析法对救援基站结构设计中经常使用的圆柱壳和圆球壳结构在非轴对称爆炸载荷作用下的静力及动力学问题进行了分析,得到了圆柱壳和圆球壳在该种载荷作用下的静力及动力学模型。并以此为基础,进一步研究了圆柱壳体和圆球壳体的附加结构对系统在非轴对称爆炸载荷作用下动力学特征的影响,从而为相关领域的研究人员进行煤矿井下救援基站的研究和设计提供指导性意见。  以约束空间内救援基站受到的爆炸载荷特性研究为基础,使用狄拉克函数和亥维赛函数建立了非轴对称爆炸载荷加载模型,分析了圆柱壳体在该载荷作用下的静力及动力状态,建立了薄圆柱壳体在非轴对称爆炸载荷作用下的静力学及动力学微分方程。壳体的静力学方程使用伽辽金方法进行求解,动力方程采用伽辽金法和拉普拉斯变换及其逆变换解出,并将本文解与有限元解进行对比分析,验证了本文方法的正确性。通过对数值结果的研究,讨论了壳体尺寸参数和载荷加载模型对壳体静力及动力学特征的影响。  圆柱壳体附加结构拥有广泛的使用范围和应用价值,同时,其还会对圆柱壳体的动力学特征产生较大的影响。因此,本文以圆柱壳体的静力和动力学分析为依据,使用拉格朗日方程和拉格朗日乘子法建立了非轴对称爆炸移动载荷作用下,由圆柱壳和其内部多个平板连接组成的组合圆柱壳的控制方程,并对圆柱壳体和内部平板之间的约束条件进行了推导,得到了组合壳体的广义约束方程。采用里兹法对得到的控制方程和约束方程进行了离散和求解,并与有限元解进行对比,验证了本文方法的准确性。通过对数值结果的分析,讨论了组合壳体内部平板个数、布放位置和载荷参数对组合圆柱壳体动力学特征的影响。  圆球壳也是煤矿井下救援基站结构设计中常用的结构,且对球壳结构在非轴对称爆炸移动载荷作用下动力问题的研究较少。本文分析了薄圆球壳体在非轴对称爆炸载荷作用下的静力状态,分别建立了圆球壳体在该载荷作用下的无力矩理论静力微分方程,以及有力矩理论修正方程。并以此为基础,研究了圆球壳在该种载荷作用下的动力学问题,建立了薄圆球壳的动力微分方程。使用伽辽金法和拉普拉斯变换及其逆变换求解静力及动力微分方程,并与有限元解进行对比分析,验证了本文方法的正确性。通过对数值解结果的分析,讨论问了圆球壳尺寸参数和载荷加载模型对于圆球壳的影响。  为了扩展圆球壳结构的适用范围和空间利用率,在其内部空间添加附加结构已经成为优化圆球壳结构的重要手段。本文使用约束变分原理,分析了组合圆球壳的力学状态,建立了在非轴对称爆炸移动载荷作用下,由圆球壳与其内部多个半圆形平板连接构成的组合圆球壳的控制方程。推导了圆球壳和内部平板之间的位移及转角的约束关系,得到了组合圆球壳的约束方程。并将方程解与有限元解进行对比,验证了本文提出方法的正确性。以数值结果为基础,讨论了组合壳体内部半圆平板数量、平板布放位置和载荷加载模型对组合壳体的影响。  本文推导出的关于圆柱壳、组合圆柱壳、圆球壳和组合圆球壳在非轴对称爆炸移动载荷作用下的静力及动力学方程,相对于以往对救援基站及相关舱体的研究方法更加贴近工程实际,可以作为救援基站结构及其安全壳体设计的基础,也可以为救生舱等救援设备的研究提供参考,还可以为圆柱壳和圆球壳及其组合壳体在非轴对称载荷作用下相关问题的研究提供新的方法。
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