发布时间：2021-03-30所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 防护工程
《防护设备非标设计软件开发及其性能分析研究》论文发表期刊：《防护工程》；发表周期：2020年04期
《防护设备非标设计软件开发及其性能分析研究》论文作者信息：尚文涛(1986—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为防护设备设计与开发。
摘要基于计算机程序语言对地铁人防工程防护设备非标产品进行面向对象技术的开发，主要包括非标型号的参数设计、理论重量计算、抗弯截面设计校核、关键结构的承载力设计校核和爆炸冲击波作用下的抗反弹设计校核等内容。以地铁出入口防护设备BGFM6530-30为案例，基于经验设计参数进行了软件程序的运行计算。最后分别对防护设备总重量和等效静荷载作用下的抗弯截面设计的结果进行了准确性验证和性能分析，结果表明，所开发的防护设备设计软件程序计算快速、准确、可靠，强化和补充了现有防护设备非标产品的设计体系。
关键词人防工程：防护设备;软件开发;性能分析
Abstract Based on computer programming language, the object-oriented technology for non-standard protective equipment of subway civil air defense project is developed, which mainly includes: parameter design of non-standard models, theoretical weight calculation, design and verification of bending sections, bearing capacity of key structures and anti-ebound capability under the impact of blast wave, etc. Taking the protective equipment (BGFM6530-30) at subway entrance as a study case, the software program is operated and computed based on the empirical design parameters. Finally, the total weight of the protective equipment and the design of bending sectionunder equivalent static force are analyzed and verified for their respective accuracy and performance. The results show that the computation of the design software developed for protective equipment is fast, accurate and reliable, which enhances and supplements the existing design system of non-standard products of protective equipment
Keywords civil air defense project ; protective equipment ; software design ; performance analysis
目前，我国已有43个城市轨道交通项目建成投运，地铁运营里程达6600多公里。据统计，地铁人防工程中所应用的防护设备非标产品数量达60%以上[。在人防工程建设初期，产品设计型号变更频繁，项目施工周期短，图纸设计周期长的矛盾凸显，设计人员很难在短时间的开发过程中兼顾防护设备结构设计和力学性能校核，在防护设备实际的设计、生产加工、土建施工安装及设备维护全生命周期内，存在重立装、轻设计的问题。此外，防护设备的设计参数和产品数据汇交滞后，比如整体设备重量，不仅影响了承力构件的可靠性设计，也对工程造价和计量审核造成较大影响2。
通过计算机应用软件开发来解决现实工程技术问题已经成为普遍共识。王利明[采用VB语言对化工容器物理超压的泄放进行研究并编制了计算程序，自动进行安全泄放设计。劳展杰[编制了导弹穿舱爆炸毁伤评估软件，对毁伤效应进行快速计算评估。基于FORTRAN平台，徐维铮等[开发了约束空间内部爆炸波高精度三维数值计算程序，较好地模拟了爆炸过程。针对地铁人防工程防护设备的非标设计过程，自主开发计算机软件对防护设备进行辅助设计，既可以满足众多非标型号的工程需求，又可以弥补产品设计验算环节的缺失，大大提高了非标设计的工作效率，也提升了产品的设计水平和安全可靠性。
1 面向对象的防护设备设计应用程序开发
面向对象的程序开发工具(如PB、VB程序)具有丰富的图形界面，可利用多种类型的窗口控件进行可视化的设计和开发，控件主要包含命令按钮、静态文本、下拉列表、单行文本框、tab页、数据窗口控件等，控件以数据窗口对象为载体，数据窗口对象与数据库中的表进行关联，用户可以在画板上自定义控件的位置和类型，然后通过事件中的程序代码控制计算过程和数据传递。同时可使用Windows内部的广泛应用程序接口函数(API)，动态链接库
(DLLD)、对象的链接与嵌入(OLE)、开放式的数据连接(ODBC)等技术强化对其他应用程序的支持[
防护设备非标设计软件根据人防工程的实际需求开发了防护设备非标型号设计、设备重量理论计算功能，根据设计结构对主梁截面的抗弯能力、关键结构的承载能力、爆炸冲击波的抗反弹能力[等完成综合校验，避免了以往凭借经验设计的多次方案调整和图纸修改，节约了设计资源和人力成本。软件界面如图1所示，通过软件新建设计方案，产生适合口部安装尺寸的设备型号，在非标产品设计经验方法指导下，对设备结构进行规划(含门扇龙骨构造、面板、铰页、闭锁、门框锚固等)，在自建的软件型材和材料数据库下，完成调用和参数数据传递，并完成静力学性能分析和验算。在地铁防护设备非标产品设计过程中，软件在进行力学性能分析和产品设计时，集成了快速设计、参数修改、性能指标验证及方案确定等，提高了设计效率和计算的可靠性。
2基于应用程序的防护设备非标产品设计案例
地铁人防工程中的防护设备按照孔口位置，一般分为出入口、风道、区间、疏散口等4类产品，按照使用功能又大致区分为防护门、密闭门和防护密闭门3种[7]。在程序主界面新建设计窗体，按照表1输入口部位置、洞口尺寸、抗力级别等设计参数，其中常用材料属性和型材物理特性等数据建立了数据库(见图2)，可通过数据窗口检索、查询和调用，数据库的开发实现了数据传递和共享，减少了数据冗余度，提高了数据的一致性和可维护性。
如图3所示，在“新建设计”选项卡得到的BGFM6530-30型号的出入口防护密闭门。在“设计布局”选项卡中生成防护设备的初步设计方案，如结构型材、焊接面板、设计数量、通用铰页和闭锁等设计。其中，自动模式下可获得与经验值匹配的设计方案：手动模式下需要自定义设计方案或对方案进行变更。当设计方案形成时，应用程序会调用自建的材料和型材查询数据库，在“理论重量”选项卡以总重量汇总表和零部件明细表的形式逐项列举出来，同时可将计算结果实时写入文档保存、快速打印等。其中，重量明细窗口共列出了166行的零部件信息，包含图纸编号、装配体名称、零部件名称、数量及重量等。通过防护设备非标产品设计系统的开发，可以快速地获得产品的理论重量，便于后续进行承载力验算等力学性能判定、校核。
如图4所示，对该型号出入口防护密闭门进行主梁截面的抗弯设计、螺杆结构的承载力设计及包含闭锁、锚筋的抗反弹设计验算。其中抗弯截面设计程序按照人防工程设计相关要求，对防护设备口部形式(直通或单向式、穿廊或垂直式)、不同抗力等级进行分类，用等效静荷载计算方法将爆炸冲击波的动力载荷转换为防护设备均布静力荷载的标准值，主要考察等效静荷载作用下组合截面梁的弯曲变形受力情形，将防护设备的主受力梁简化为两端固定的简支梁模型，门扇内侧面板简化两端固定的多支点梁。在自建型材数据库检索、计算所用型材的截面惯性矩、弯曲截面系数和截面静矩等，得到均布线荷载、最大弯矩、支座剪力、弯曲正应力、支座剪切应力和最大挠度(假设支撑旋转角小于20)等数据，与材料的抗弯强度、抗剪切强度和跨中最大挠度控制值进行校核。一般而言，钢结构防护设备整体表现为粗大笨重，平战转换时需要对门扇旋转开闭操作，门扇上的铰页、推力轴承、限位器等被视为保证设备运行安全可靠的关键机械部件，在升降铰页和限位器中均涉及螺杆设计。因此，在关键结构的承载力设计中主要对起承载作用的螺杆进行螺纹自锁和螺牙强度校核计算。螺纹的自锁能力主要考核导程角、当量摩擦角设计，螺杆的强度主要考核螺杆的当量应力、螺牙抗剪强度和螺杆抗弯强度设计等[1]。在实际爆炸过程中，冲击波瞬间达到超压峰值，并在冲击过后产生负压区，对防护设备整体施加反向荷载，可能会对预埋在混凝土里的门框、门扇与门框连接的闭锁等部位产生破坏作用。因此，需要对闭锁头的剪切应力及闭锁座的螺栓抗拉强度进行校核。相比于抗剪能力和抗拉校核而言，设计人员对门框与混凝土的锚固设计更为陌生，在爆炸冲击波抗反弹设计中还进行了门框上焊接锚筋的抗反弹设计验算，主要包括锚板厚度、弯折锚筋的直径、锚筋数量和基本锚固长度。
以抗弯截面设计为例，在新产品设计中不同输入参数对抗弯截面能力影响较大。如表2所示，在宽度6.5 m，高度3m的穿廊式出入口部防护设备上施加0.3 MPa等效静荷载，采用经验设计值，即型材大小(工20a)、内面板厚度(8mm)、主梁间距
(600 mm)，经计算型材和内面板组合截面下的弯曲正应力为293.5 MPa，支座剪应力为94.8 MPa，挠度为11 mm，均满足校核值。在经验设计值的基础上，修改个别设计参数后抗弯截面力学性能发生较大变化，如当工字钢型材减小为20a或内面板厚度减小为6mm或主梁间距增大到700 mm，弯曲正应力不满足受力要求，挠度变化较大;保持主梁间距不变，工字钢型材减小为20a，若使抗弯截面能力达到设计要求，内面板厚度须增加到19mm.
3 防护设备设计软件程序验证及力学性能分析
由于篇幅所限，不再对软件程序运行的所有结论开展全面的程序验证，仅针对防护设备的整体重量结果及等效静荷载作用下的抗弯截面计算结果进行准确性和可靠性分析。
3.1 防护设备的理论重量结果验证在防护设备的理论总重量计算过程中，传统的计算方式是根据非标设计图纸，经人工逐项统计得出结果，为了验证软件程序的准确性，将统计汇总值与程序运行值对比分析。图5选取了等效静荷载0.3 MPa、口部高度为3m，不同封堵宽度的出入口防护密闭门、出入口密闭门2种型号的产品进行分析。结果显示，不同洞口宽度下的防护设备总重量随着洞口宽度的增大，重量曲线均呈增大趋势，且统计值比程序值略大。这是由于防护设备宽度尺寸越大，型材用量越多，设备重量越大。人工统计值在图纸基础上考虑增加了防护设备的焊缝、孔等材料去除的部分质量，而程序计算模型按照工程计量规范中[0]，金属结构不扣除孔眼的重量，焊条、铆钉、螺栓等不另增加重量计算的要求，因此，防护设备总重量的统计值比程序值略大。此外，对比结果显示，47和8m洞口宽度条件下防护密闭门总重量统计值与程序运算值曲线吻合较好：对于5m和6m宽度的洞口防护密闭门总重量而言，统计值曲线呈局部跃升背离趋势，统计值与程序值偏差较大，分别为307.9和314.4 kg.经对比5 m.6m宽度的防护密闭门图纸发现，比程序计算模型均多2根纵向工字钢(工25a，3 m，114.3 kg/根)的重量，这是由于不同的非标设计人员在各自的设计理念下，造成的图纸设计冗余，由此也说明了防护设备软件程序对非标设计具有较强的一致性和合理性。同样，在非标设计图纸中，出入口密闭门的型材数量参照防护密闭门设计，5 m、6m宽度的密闭门也同样存在多2根纵向工字钢(116，3 m，51.5 kg/根)的情况。经型材数量统一调减后，防护设备总重量的统计值与程序值曲线数据吻合较好。与调减后的统计值相比，不同宽度的防护密闭门偏差最大值为1.2%，密闭门偏差最大值为1.4%。
为了对防护设备设计程序的计算模型进行更好地验证分析，图6是不同高度下等效静荷载0.3 MPa、口部宽度为6.5 m，出入口防护密闭门、密闭门2个型号的产品分析。结果表明，同型号下统计值与程序值的重量曲线走势一致，洞口高度从2.7 m增大到2.8m时，总重量曲线出现大比例跃升。经图纸对比分析发现，非标设计过程中洞口高度2.5-2.7m时横向型材设计数量为2根，洞口高度2.8-3m时横向型材设计数量为3根。不同高度的防护密闭门偏差最大值为1.1%，密闭门偏差最大值为0.8%。
3.2等效静荷载作用下的抗弯截面计算结果验证通过有限元数值分析的方法，对防护设备设计程序等效静荷载作用下的抗弯设计验算结果进行对比分析。主梁型材选取工字钢与内面板组合的设计方案，出入口部形式为穿廊式或垂直式，等效静荷载0.3 MPa，具体计算参数如表3所示。建立防护设备主梁构造的三维实体模型(见图7)，为了简化成三维简支梁，型材两端分别设置固定铰接和滑移铰接，同时为了避免铰接座处产生应力集中，对铰接座局部加强处理。对计算模型定义材料属性、接触、约束和载荷边界条件后，划分网格进行有限元计算。
一般细长的非薄壁截面梁中，主要的应力是弯曲正应力，支座处的工字钢截面剪切应力主要分布
在腹 板 上，平均切应力大小可根据公式计算求得[11]，即切应力 = 剪切力/腿宽 × 高度。因此，数值计算主要验证三维简支梁的弯曲正应力与挠度。如图8所示，沿型材长度方向截取垂直断面(Y=0)，最大弯曲正应力发生工字钢上表面，最大值为294.5 MPa，防护设备设计程序计算的最大弯曲应力为293.5 MPa，型材的最大弯曲应力仿真值与程序值相同，且满足材料性能要求。图9弯曲变形最大位移发生在内面板侧(Y=0)，最大位移约为10 mm，设计程序计算值为11 mm，均小于最大挠度控制值(12 mm)，计算结果可靠。此外，图10沿型材长度方向，对面板底部、中性面和型材上部的应力曲线和位移曲线进行了对比分析，面板底部的最大弯曲拉应力为217 MPa，小于型材上部的最大弯曲压应力。由于三维数值计算模型不完全满足二维简支梁模型关于中性层的平面假定和单向受力假定，工字钢中性层的弯曲正应力不为零，而是在50 MPa内趋于平衡。
4结论
(1)基于计算机程序语言对地铁人防工程防护设备的非标产品设计进行了面向对象的软件开发，其中包含专用的数据库开发、数据窗口的参数传递等，设计程序集成了产品型号、结构方案设计、理论重量计算、力学性能验算四大功能，形成了较为完整的设计体系。
(2)以型号为BGFM653030的出入口防护密闭门为设计案例，系统梳理了产品设计程序的开发流程，快速实现了防护设备重量计算及数据交互，针对结构设计方案完成了组合截面抗弯能力、关键机械结构承载力、抗反弹能力的综合力学性能校核，最终满足了非标产品设计的工程需求。
(3)分别在防护设备的质量计算和抗弯截面设计2个方面，验证了所开发的软件程序计算模型的准确性和可靠性。其中，与调减后的统计值相比，不同宽度的防护密闭门偏差最大值为1.2%，密闭门偏差最大值为
1.4%：与统计值相比，不同高度的防护密闭门偏差最大值为1.1%，密闭门偏差最大值为0.8%。通过三维简支梁模型的建立及有限元计算，结果表明选用型材的最大弯曲正应力为294.5 MPa，弯曲变形位移约10mm，与防护设备设计程序计算值一致。
参考文献
[1]张伟.关于地铁人防设备的探讨D]，四川建材，2018，44(2)：177479.
[2]邱晓锋.人防工程建设项目的造价控制D]，住宅与房地产，2017(18)：46.
[3]王利明，化工容器物理超压泄放装置的程序设计与开发[D].大连：大连理工大学，2005.
[4]劳展杰导弹穿舱爆炸对舰船的毁伤评估程序[D].武2：武汉理1大学，2014.
[5]徐维铮，吴卫国，爆炸波高精度数值计算程序及应用[.фЕA研，2017，12(3)：64-4.
[6]郑阿奇.PowerBuilder实用教程(第五版)[M].北京：电子工业出版社，2018.
[7]刘志超，地铁新型人防设备设计要点研究D].山东工业技术，2016(13)：142.
[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，人民防空工程设计规范：GB50225-2005[s].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[9]闻邦椿，机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2018.
[10]中华人民共和国住房和城乡建设部房屋建筑与装饰工程工程量计算规范：GB 50854-2013[s].北京：中国计划出版社，2013.
[11]梅凤翔，周际平，水小平·工程力学[M].北京：高等教育出版社，2005.
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