离心机场环境中结构的安全防护

　　飞机、飞船及导弹等在空间的飞行,火车、汽车等在地面上的曲线运动,舰船在水面或在水中的转弯航行都会受到向心力的作用。研究物体在向心力环境中的力学行为的一种重要装置就是离心机。在离心机高速旋转过程中,安装在离心机长臂端的工程试验件受到很大的向心力作用。在极端条件下,试验件可能会甩出离心机臂而撞击到离心机室的墙壁或防护栏上,造成结构破坏或人员伤亡的重大事故。在离心试验中,砂石块以及其他试件甩出离心机造成结构破坏的事件屡有发生。因此,研究离心机场环境中结构的安全防护具有重要的意义。

　　1　离心机与防护栏相对位置及试件的运动

　　离心机机室(由防护栏围成一封闭圆柱壳的空间而成)内径D=9.3 m,内腔高度H=3.7 m。钢结构机室的防护栏是由16块立墙和16块顶棚通过螺栓连接组成。每一块立墙均由2根槽钢作立柱,立柱之间再用角钢横、竖交叉焊接成骨架,再把骨架焊接到立柱上构成立墙的框架。然后再根据防护的需求,在框架上安装一定厚度的钢蒙皮。每一块顶棚均由槽钢、角钢用螺栓连接而成。工程试件安装在离心机长臂端部,随着离心机转动而运动。当工程试件甩离离心机时,除了受到重力作用外,不再受到其他外力的作用。依据牛顿第一定律,工程试件将以脱离离心机长臂时获得的速度运动。当工程试件撞上防护栏时,则依据力学规律和防护栏中的构件发生动力学效应:或撞破防护栏飞出防护栏;或被防护栏挡住停止运动;或受到防护栏作用而改变运动方向,使其掉在机室内。前一种情况就是事故,是离心机试验需要避免的。后2种情况则是离心机安全防护所需要达到的目的。机室的外形及离心机的相对安装位置,如图1所示。防护栏(3块立墙和蒙皮的组合)与瞬间脱离离心机长臂的工程试件的相对位置,如图2所示。

　　2　防护栏及工程试件的有限元模型

　　工程试件与防护栏的相互撞击是一个短暂的过程。从力学响应的角度看,该撞击过程应属于瞬态力学效应范围。结构的局部力学响应是问题的主要特征。在分析该问题时,建立工程试件与防护栏撞击部位相关结构的模型就可以获得合理的结果。依据结构的几何特征与撞击的力学效应,在建立有限元分析模型时,取3块立墙和3种工程试件进行网格划分。

　　3　控制与界面动态接触的有限元方程

　　在试件甩离离心机长臂后,试件的运动及与防护栏的撞击过程均可由控制方程进行描述。采用有限元方法对撞击过程进行分析,应用Lagrange求解器则可获得合理的结果。根据牛顿第二定律,其动量方程[1]为

　　和边界条件为