家用救生舱的概念设计.pdf

第3 1 卷第1 期2 0 1 4 年1 月机电工程J o u r n a lo fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gV 0 1 3 1N o 1J a n 2 0 1 4D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1-4 5 5 1 2 0 1 4 0 1 0 0 3家用救生舱的概念设计杨福芹，丁中敏，常德功4(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛2 6 6 0 6 1)摘要：针对在地震、火灾等突发的自然灾难中房屋建筑遭到严重的损害后住宅内的被困人员生命无法得到保障的问题，设计出了一种可以保障被困人员生命安全的新型家用救生舱；对该救生舱的总体设计方案进行了简要介绍，给出了救生舱的结构简图；利用有限元分析软件对救生舱舱体进行了静载分析，根据得到的舱体表面应力云图和位移形变云图对舱体抗冲击性进行了强化；提出了提高该救生舱耐温隔热能力的舱壁结构设计；设计了可以满足被困人员生存需求的救生舱内部生存保障设备。研究结果表明，该家用救生舱不仅抗冲击、耐高温、密闭性好，且其完善的保障设施能为被困人员提供一个稳定可靠的维生空间。关键词：家用救生舱；概念设计；舱体结构；生存保障系统中图分类号：T H l 2 2；T B 2 1文献标志码：A文章编号：1 0 0 1 4 5 5 1(2 0 1 4)0 1 0 0 1 2 0 4C o n c e p t u a ld e s i g no ff a m i l yr e f u g ec h a m b e rY A N GF u-q i n，D I N GZ h o n g-m i n，C H A N GD e g o n g(C o l l e g eo fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，Q i n g d a o2 6 6 0 61，C h i n a)A b s t r a c t：D u r i n ge a r t h q u a k e s，f i r e sa n do t h e re m e r g e n tn a t u r a ld i s a s t e r s，t h eb u i l d i n g sw i l lb ed e s t r o y e ds e v e r e l ya n dt h et r a p p e dl i v e sc a nn o tb eg u a r a n t e e d A i m i n ga tt h i sp r o b l e m，an e wf a m i l yr e f u g ec h a m b e rW a sp l a n n e d T h eo v e r a l ld e s i g no ft h ef a m i l yr e f u g ec h a m b e rW a si n t r o d u c e db r i e f l ya n dt h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ec h a m b e rw a ss h o w n B e s i d e s，t h es t r e n g t ho ft h ec h a m b e rW a sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n dt h ei m p a c tr e s i s t a n c eo ft h ec h a m b e rW a ss t r e n g t h e n e db a s e do nt h ee q u i v a l e n ts t r e s sn e p h o g r a l na n dt h ed i s p l a e e m e n td e f o r m a-t i o nn e p h o g r a mo ft h ec h a m b e r W h a t 8m o r e，t h es t r u c t u r eo fc a b i nW a sd e s i g n e dw h i c hc a ni m p r o v et h eh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo ft h ec h a m b e r A n dt h el i f e-s u p p o r ts y s t e mn e c e s s a r yf o rt h es u r v i v a lo ft h et r a p p e dW a sa l s op r o v i d e di n s i d e T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef a m i l yr e f u g ec h a m b e rn o to n l yh a si m p a c tr e s i s t a n c e，h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n dg o o dt i g h t n e s s，b u ta l s oi sc o n f i g u r e dap e r f e c tl i f e-s u p p o r ts y s t e mi n s i d e，w h i c hC a np r o v i d ear e l i a b l ea n ds t a b l el i v i n gs p a c ef o rt h et r a p p e d K e yw o r d s：f a m i l yr e f u g ec h a m b e r；c o n c e p t u a ld e s i g n；c a b i ns t r u c t u r e；l i f e s u p p o r ts y s t e mO引言在地震、火灾发生的时候，住宅中的逃生通道往往会被坠落物、烟雾、大火等因素阻隔，人们无法从安全通道逃生而被困家中，从而遭受坠落物、有害气体、高温的伤害甚至丧生。随着近些年频发的自然灾害和人为灾害，人们开始越来越关注如何能够在灾害中保护自身生命安全、紧急避难并顺利逃生。本研究就是针对家庭(特别是居住在高层建筑中的家庭)设计一种紧急避难装置。本研究提出一种家用式救生舱的结构设计。该救生舱顶部设计为可折叠桌面，在平时作为家具使用；在收稿日期：2 0 1 3 1 0 1 4作者简介：杨福芹(1 9 7 2 一)，女，山东青岛人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事新型传动机构及计算机辅助设计方面的研究E m a i l：y L q 1 6 3 c o r n通信联系人：常德功，男，博士，教授，博士生导师E m a i l：j x s h j q u s t 1 6 3 c o m万方数据第1 期杨福芹，等：家用救生舱的概念设汁灾难发生时，该救生舱可以有效地抵御冲击、高温、烟气等。根据家用救生舱使用时的工作条件，本研究利用有限元分析软件A N S Y SW o r k b e n c h 对其舱体进行静载分析，设计出带有加强筋的舱体结构来提高其抗冲击性；并通过设计带有隔热支撑的舱壁结构以提高该救生舱耐温隔热能力；该救生舱同时配备有完善的内部保障系统为避难人员提供一个安全可靠的空间。当地震或火灾等发生时，家庭成员可以迅速打开舱门，躲人舱内，有效躲避来自外界的坠落物、有害气体、高温等的伤害，并随时可以向外界呼救，安全地等待救援引。1 总体设计方案考虑到家用救生舱如果仅用来应对各种灾难，而平时闲置不用，势必会造成资源浪费且占据住宅有限的使用空间，本研究设计一种平时可作为家具而灾难发生时又可用作避难所的多功能家用救生舱。在日常生活中，救生舱可用作餐桌、书桌、电脑桌或者摆放物品。当地震、火灾发生后，人们在迅速判断无法逃生后，马上打开救生舱舱门，进入到舱内并关闭舱门。此时救生舱为一个独立密闭的空间，能够抵御一定的外力冲击和高温烟气环境。逃生人员在救生舱内躲避的时候，可以打开压缩气瓶的阀门来保证空气充足，并通过观察窗来观察外界情况，通过呼救器向外界传递求救信号【3J。舱内储存有食物、水、医药工具箱等生存物资，可以保证人员在救生舱内生存4 8h 以上，直到救援人员的到来。2 主要结构的设计2 1 救生舱外部舱体结构家用救生舱主要是放置于家中卧室、客厅、书房等房间内，因此不宜占地面积过大从而影响到日常生活，而其内部在容纳全部生存设备后还应该容纳2 3 人进行避难。除此之外，家用救生舱在外形和颜色上最好与住宅的装修风格相协调。家用救生舱的简图如图l 所示。家用救生舱主体外形为柜式结构，顶部设计为可折叠式桌面，如果打开折叠板，救生舱上部可变为一个椭圆桌，可以容纳更多的人用餐或者使用，使用完毕后也可以收起折叠板以减少占用的空间。特别值得注意的是救生舱边角处一定要采用圆弧过渡，以避免逃生人员在紧急情况下避难时磕碰到尖锐的棱角部而产生不必要的伤害。救生舱舱壁的示意图如图2 所示。救生舱的舱壁从外到内依次为外层隔热防火膜、防护外壁、隔热支撑、隔热层、镀铝内壁。外层隔热防火膜贴在救生舱舱壁的最外层，起到防火隔热的作用。防护外壁采用低合金高强度钢板Q 3 4 5，其良好的强度、塑韧性、焊接性、成形性使舱壁具有足够的强度来抵御外界突然的冲击，并且在防护外壁的内侧焊接上可以加强抗冲击能力的加强筋。防护外壁为前、后两部分，其间用法兰进行连接并且进行密封。在外壁与内壁之间放置隔热支撑，以起到支撑内外壁和隔热的作用。在内壁与外壁之间还要填充足够的隔热材料，例如玻璃纤维棉板作为隔热层。在内壁外侧镀铝，使其除了起到支护作用外镀铝层还可以对向内传递的热进行反射，减少热量传递到内部M 引。本研究在救生舱的舱壁上设置有换气孔、观察窗、舱门。换气孔用于安装单向换气阀，以保证救生舱内的空气只出不进。观察窗采用双层防爆玻璃，密封后固定于舱体上。舱门采用和舱壁同样的结构，以保证有足够的抵抗冲击能力、隔热能力和气密性。图2 救生舱舱壁示意罔l 一外层隔热防火膜；2 一防护外壁；3 一加强筋；4 一内壁；5 一镀铝层；6 一隔热支撑；7 一填充的隔热材料2 2 救生舱内部生存系统家用救生舱的内部拥有生存保障系统，其包括压万方数据机电工程第3 1 卷缩氧气瓶、压缩空气瓶、空气净化箱、传感器、座椅、座便器、医药工具箱、呼救器、储存的食物和水等。保障设备被合理地放置在救生舱舱内。压缩氧气瓶和压缩空气瓶可以在人员进入到救生舱内后发现空气不足时提供空气并保证舱内压力始终大于舱外的正压状态；空气净化箱内部装有可以吸收二氧化碳和其他泄露进入的有害气体的药粉；传感器用于随时监控救生舱舱内的各项生存指数，以提醒被困人员此时的生存环境是否良好，以及时通报给外界的救援人员；座椅为中空结构，内部可以作为一个储物箱，装有食物、水、工具医药箱等，在需要的时候可将座椅上的端盖打开取出；坐便器内部放置有粪便收集器，在不使用的情况下可以将端盖放下供一人作为座椅使用；呼救器可以向外发送无线信号求救和报告被困人员具体所在位置旧J。3 解决的关键问题3 1 救生舱承受坠落物的能力由于家用救生舱有可能会面对地震、火灾以及火灾中发生的爆炸等情况，本研究所设计的救生舱舱体必须有足够的强度来承受坠落的重物和垮塌的房体。本研究将救生舱舱体简化为一个长方体，利用有限元分析仿真软件A N S Y SW o r k b e n c h【7-9 对其进行静载分析。根据救生舱使用情况提出的要求，救生舱舱体防护外壁材料选择低合金高强度钢Q 3 4 5，其物理学参数为：屈服强度3 4 5M P a；抗拉强度4 7 0M P a；密度78 0 0k g m 3；弹性模量2 1 0G P a；泊松比0 3。在简化舱体外表面施加均布载荷后得到的等效应力云图如图3 所示。-焉芸盐图3 简化舱体等效应力云图总位移变形云图如图4 所示图4 简化舱体总位移形变云图从图3、图4 中可以明显看到，简化的救生舱舱壁4 个受载面中心处的应力和位移变形相对集中，因此本研究考虑在防护外壁内侧焊接横向和纵向的加强筋来提高救生舱舱体的刚度和强度，同时可以节省外壁材料和减轻重量0。J。3 2 救生舱耐温隔热能力在火灾发生后，救生舱会处于高温烟气环境，救生舱的耐温隔热能力对舱内人员生存有着十分重要的意义。除了救生舱防护外壁上的隔热防火膜，还有在内壁和外壁之间放置的隔热支撑、填充的隔热材料以及内壁外侧的镀铝层都可以用于提高救生舱的耐温隔热能力。救生舱外壁与内壁之间的隔热支撑不但要起到连接支撑内、外两部分结构的功能，还要保证外壁与内壁之间没有直接的接触，否则热量会通过金属材料迅速传导到救生舱内部，导致舱内温度急剧上升。因此本研究设计了一个隔热基座通过螺栓和隔热木方连接在一起的隔热支撑(示意图如图2 所示)。金属的隔热基座焊接到外壁上，不与内壁接触。3 3 救生舱密封防护能力救生舱可能处于火灾的烟气环境中，因此观察窗和舱门需要密封严密。门窗和舱体之间可以采用具有较高的耐磨性、较好的耐热性以及优良的气密性的丁腈橡胶密封胶条进行密封。由于配备有压缩空气瓶，通过打开阀门可以使舱内保持一个高于舱外环境1 0 0P a 一5 0 0P a 的正压环境，舱外的烟气不易向舱内扩散。3 4 救生舱其他保障能力本研究所设计的家用救生舱的一些基本参数如表1所示。这些基本参数反映了避难 员在舱内的生存条件。(下转第2 0 页)本文引用格式：杨福芹，丁中敏，常德功家用救生舱的概念设计 J 机电工程，2 0 1 4，3 1(1)：1 2 1 4，2 0 Y A N GF u q i n，D I N GZ h o n g-m i n，C H A N GD e g o n g C o n c e p t u a ld e s i g no f f a m i l yr e f u g ec h a m b e r J J o u r n a lo fM e c h a n i c a l E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 1 4，3 1(1)：1 2 1 4，2 0 机电工程杂志：h t t p：w w w m e e m c o r n c n万方数据2 0 机电工程第3 1 卷业作业机振动测试与分析 J 农业工程学报，2 0 0 8，2 4(5)：1 0 0-1 0 4 8 伊蒙生基于A B A Q U S 6 9 的2 0 3 1 6 L 复合管旋压成形有限元数值模拟 J 轻工机械，2 0 1 2，3 0(6)：3 6-3 9 9 丁立聪，张宪基于有限元技术的锅炉水冷壁焊机关键部件研究 J 轻工机械，2 0 1 2，3 0(3)：9 2-9 6 1 0 B A R TP，H E R M A NVDA，P A T R I C KG，e ta 1 T h eP o l y M A Xf r e q u e n c yd o m a i nm e t l l o d：an e ws t a n d a r df o r 1 2 m o d a lp a r a m e t e re s t i m a t i o n J S h o c ka n dV i b r a t i o n，2 0 0 4(1 1)：3 9 5-4 0 9 何辉多参考最小二乘复频域法在飞行器模态参数识别中的应用 J 航空兵器，2 0 1 0(6)：7 1 1 周云，易建伟用P o I y M A X 方法进行弹性地基板的实验模态分析 J 振动与冲击，2 0 0 7，2 6(7)：1 3 9 1 4 3 编辑：张翔本文引用格式：张宪，周浩东，王扬渝，等机夹式球头铣刀有限元及试验模态分析 J 机电工程，2 0 1 4，3 1(1)：1 5 2 0 Z H A N GX i a n，Z H O UH a o d o n g，W A N GY a n g y u，e ta 1 F i n i t ee l e m e n ta n de x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i so fc l i p t y p eb a l le n dm i l l J J o u r n a lo fM e c h a n i c a l E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 1 4，3 1(1)：1 5 2 0 机电工程杂志：h t t p：w w w m e e m e o m c n(上接第1 4 页)救生舱通过内部的生存保障系统满足避难人员在舱内必备的各项生存条件。例如：避难人员在进入到救生舱内部后，空气供给设备能够提供生存必须的空气；空气净化设备可以保证舱体内空气适宜人体生存；环境监控设备可以准确监控救生舱内外环境温度、空气质量等参数并及时报告给舱内人员；座椅、座便器、医药工具箱、食物和水都可以保证人员的正常生存并且呼救设备可以向外界传递求救信号。表1 家用救生舱的基本参数项目指标额定人数人额定防护时间h瞬间耐高温能力(s，o C)舱内持续温度o C人均占有容积m 3舱内正压力P a舱内O：含量()舱内C O：含量()舱内C O 含量()被困人员每人每日供水量L被困人员每人每日食物所含热量l【J4 结束语本研究提出了一种家用救生舱的概念设计。该救生舱在平时可作为餐桌、书桌、电脑桌等家具使用，而在地震、火灾等灾害事故发生时，可为家庭成员提供一个安全的避难所，以抵御来自外界的坠落物、有害气体、高温等的伤害，并且该家用救生舱系统还可以向外界呼救，以保证受困人员能够安全地等待救援，从而减少意外伤亡的发生。但由于该设计目前还处于概念设计初级阶段，因此后续还需要进行更加深入的研究。参考文献(R e f e r e n c e s)：1 张鸿鹤，王晋波高层建筑避难间设置探讨 J 消防科学与技术，2 0 1 2，3 1(1 0)：1 0 5 7-1 0 6 0 2 王圆宾，徐德华一种抗震救生设施的开发与研究 J 科技资讯，2 0 1 2(1 1)：2 1 6 3 高广伟，张禄华煤矿井下移动救生舱的设计思路 J 中国安全生产科学技术，2 0 0 9，5(4)：1 6 2 1 6 4 4 许建，李长录，王凯救生舱的生存温度保障 J 煤矿安全，2 0 1 l，4 2(8)：6 6-6 8 5 汪声，金龙哲，栗婧救生舱热防护性能研究 J 煤矿安全，2 0 1 0，4 1(1 1)：1 6-1 9 6 国家安全生产监督管理总局矿用可移动式救生舱通用技术条件 R 国家安全生产监督管理总局，2 0 0 9 7 周小燕，李兵，孔芬霞，等基于A N S Y SW o r k b e n c h 柴油机后处理装置的模态分析 J 机电工程，2 0 1 1，2 8(8)：9 2 8-9 3 0 8 金大鹏，李建勇，王恒，等基于A N S Y SW o r k b e n c h 的固晶机构柔性动力学分析 J 机电工程，2 0 1 2，2 9(1 0)：1 1 4 6 1 1 4 9 9 马静静，胥光申重要电子设备机箱动态特性分析与试验 J 机械，2 0 1 3，4 0(6)：2 6-2 9 1 0 王进军，陈光柱，夏小东煤矿井下救生舱舱体结构设计与分析 J 煤矿机械，2 0 1 1，3 2(1 2)：1 3 1 5 1 1 梅瑞斌，李长生，蔡般，等爆炸冲击下煤矿救生舱抗爆能力有限元分析 J 东北大学学报：自然科学版，2 0 1 3，3 4(1)：8 5-9 4 编辑：张翔猢掷一一一刚挪一18，万方数据家用救生舱的概念设计家用救生舱的概念设计作者：杨福芹，丁中敏，常德功，YANG Fu-qin，DING Zhong-min，CHANG De-gong作者单位：青岛科技大学机电工程学院,山东青岛,266061刊名：机电工程英文刊名：Mechanical&Electrical Engineering Magazine年，卷(期)：2014,31(1)本文链接：http:/