高层建筑逃生装置设计.docx

高层建筑逃生装置设计摘要在当今社会中，社会组织的快速发展，使得城市发展进程特别快，人口的密度也越来越集中。以前的一些建筑像农村老房子已经不能满足现代人的生活了。为了满足人们的生活需求，一些比较高的建筑正在快速发展，但在带来社会经济繁荣和发展的同时，一些灾害像地震火灾灾害也频繁出现。然而，对高层建筑火灾逃生及疏散问题的研究和一些措施高层逃生装备都比较落后，没有跟上时代发展的脚步，经常会导致一些大型事故的发生。许多数据表明，减少逃生的时间与距离，增加人安全疏散的速度是非常重要的。因此，本文提出了一种不受建筑物高度影响、适用于各种人群的自我救助高层逃生装置。该逃生装置能够以最短的避难距离和最快的避难速度逃离危险区域后安全避难，将人民身体受伤程度降至最低。此逃生装置可以为社会的安全发展做出卓越的贡献。本论文在了解避难现状和现有的逃生装置的基础上，通过分析高层火灾的危险性，从影响人们逃离疏散的种种原因中得出比较充分的逃离时间对安全疏散人群起着重要的作用；为了减少逃生时间，必须从疏散距离、疏散速度等方面考虑,了解到窗户还有阳台这些地方直降逃生可以大大缩短逃生时间和距离，所以可以设计一种方案：窗口直降逃生并且利用缓冲气囊吸收能量的特点相结合的方式。从动力学、热力学和运动学等方面对安全气囊进行进一步分析研究，在气囊被压缩吸能过程中建立数学模型；从简单操作性、高效安全性、适应环境性、便捷性与经济适用性等方面将本课题装置分成缓冲缓降系统、便捷系统、充气系统与辅助系统；用建模软件本装置建模。本课题设计的逃生装置尽最大可能减少逃生时间，适用多种情况的环境，有一定的适用性，可以满足大多数家庭需求，对高层建筑逃生有非常广阔的前景。关键词高层建筑逃生装置；缓冲气囊；建模ABSTRACTIntoday,ssociety,therapiddevelopmentofsocialorganizationsmakestheprocessofurbandevelopmentveryfast,andthedensityofpopulationisbecomingmoreandmoreconcentrated.Somebuildingsinthepast,likeoldruralhouses,cannolongermeettheneedsofmodernpeople.Inordertomeettheneedsofpeople,slife,somerelativelytallbuildingsaredevelopingrapidly,butwhilebringingsocialandeconomicprosperityanddevelopment,somedisasterslikeearthquakeandfirealsooccurfrequently.However,theresearchonhigh-risebuildingfireescapeandevacuationproblemsandsomemeasureshigh-riseescapeequipmentarerelativelybackward,didnotkeepupwiththepaceofthedevelopmentofTheTimes,oftenleadtosomelargeaccidents.Thereisalotofdatathatshowstheimportanceofreducingthetimeanddistancetoescapeandincreasingthespeedatwhichpeoplecanevacuatesafely.Therefore,thispaperproposesakindofself-rescuehigh-riseescapedevicewhichisnotaffectedbybuildingheightandissuitableforallkindsofpeople.Theescapedevicecantakerefugewiththeshortestdistanceandthefastestspeedtoescapefromthedangerousareaaftersaferefuge,people,sphysicalinjurytothelowestdegree.Thisescapedevicecanmakeoutstandingcontributionstothesafetyanddevelopmentofthesociety.Inthispaper,onthebasisofunderstandingthecurrentsituationofrefugeandtheexistingescapedevices,throughtheanalysisoftheriskofhigh-risefire,fromthevariousreasonsthataffectpeopletoescapefromtheevacuationofrelativelysufficientescapetimeplaysanimportantroleinsafeevacuationofthecrowd;Inordertoreducetheescapetime,itisnecessarytoconsidertheevacuationdistance,evacuationspeedandotheraspects.Itisunderstoodthatthewindowandbalconycangreatlyshortentheescapetimeanddistance.Therefore,aschemecanbedesigned:thewindowcandirectlyescapeandusethebufferairbagtoabsorbenergy.Theairbagisfurtheranalyzedandstudiedfromtheaspectsofdynamics,thermodynamicsandkinematics,andamathematicalmodelisestablishedintheprocessofairbagbeingcompressedandabsorbingenergy.Fromtheaspectsofsimpleoperation,highefficiencyandsafety,adaptabilitytotheenvironment,convenienceandeconomicapplicability,thedeviceisdividedintobufferandslowfallsystem,convenientsystem,inflationsystemandauxiliarysystem.Usemodelingsoftwaretomodelthedevice.Theescapedevicedesignedinthistopictoreducetheescapetimeasmuchaspossible,suitableforavarietyofcircumstancesoftheenvironment,thereisacertainapplicability,canmeettheneedsofmostfamilies,high-risebuildingescapehasaverybroadprospect.Keywordshigh-risebuildingescapedevice;Bufferairbag;modeling目录1绪论511课题的研究意义51.1.1 国内外灾害的频发性51.1.2 高层逃生的复杂性51.2 国内外研究现状51.2.1 火灾逃生装置国内外研究现状51.2.2 缓冲气囊技术研究现状61.3 研究的主要内容62高层建筑逃生装置的方案设计72.1 高层建筑火灾概述72.2 高层火灾持续时间及逃生疏散时间72.3 高层建筑逃生装置方案设计72.3.1 高层建筑逃生装置方案的提出82.3.2 高层逃生装置的工作原理82.3.3 逃生装置总体布局92.4 本章小结1()3安全气囊缓冲着陆的理论研究113.1 气囊缓冲原理H3.1.1 确定气囊类型113.1.2 典型缓冲气囊的工作原理113.2 缓冲气囊理论分析123.2.1缓冲过程中的数学模型123.2.2对气囊缓冲性能的要求163.3本章小结164高层建筑逃生装置分系统的设计和建模174.1 逃生装置的性能要求174.2 缓冲缓降系统的设计184.2.1牵引降落伞的设计184.2.2气囊的设计204.3 充气系统的设计214.4 本章小结24结论25致谢错误!未定义书签。1绪论1.1 课题的研究意义随着当今社会快速发展，以前传统的住房等建筑已经不适合当今社会的发展需求了，进而被高楼住房所取代，城市高层建筑快速发展，人口密度高度集中。虽然这加速了社会快速发展，但是像灾害发生时人们逃离高楼也成了一个大问题,所以研究高层建筑逃生装置是十分重要的。国内外灾害的频发性多年以来在世界上事故、自然灾害等多类突发事件频频发生，往往发生突发灾害时会有大量的人受伤以及死亡，而且会造成大量经济损失，对社会的和谐发展造成严重影响。下面列举一些影响较大的火灾事故：2010年2月9日，北京市央视新大楼北配楼发生火灾，造成1人死亡6人受伤。2010年11月15日，上海市某教师公寓发生火灾。造成58人死亡，71人受伤，经济损失1.58亿元。2016年5月21日，大连市长兴岛经济开发区三堂村三堂街292号发生火灾，位于一家商店二楼的补习班着火，造成三名六年级学生死亡。上面的火灾事故还只是发生事故的一部分，随着社会发展加快，灾害的发生所带来的影响越来越大。112高层逃生的复杂性高层建筑使得人口密度高度集中，所以往往发生火灾时会有特别严重的伤亡。越高的楼层垂直疏散的距离越长，人口的多还是少也决定逃生疏散的速度，可以说逃生就是与死神赛跑，一分一秒都显得及其重要。逃生时间与建筑楼房的结构、抗灾能力、配备的设备、受灾人员逃生的素质都有关系，所以高层逃生时间是多方面因素决定的。如果发生火灾，楼房里面各种管道会引起烟囱效应，加大火势的蔓延。还有楼房里面各种易燃的物品都会导致火势进一步扩大。建筑楼房里面居住的人有老人有小孩，还有伤残人士、孕妇等等，人员结构特别复杂，在逃生过程中各种人员的移动能力、年龄、心理承受能力、环境熟悉度等都不相同，这些都是人员逃生过程中的复杂性。我国安全意识、经济水平都没有达到西方国家的水平。随着城市化的进程加快，城市人口密度集中，高层建筑也快速发展。然而人们安全意识与配套救援装置都还没有跟上，所以增大了安全隐患。1.2 国内外研究现状对高层建筑逃生装置的研究，我们国家起步较晚，之前的解决方法多是传统的疏散方式。我们国家开始研究高层建筑逃生装置是在美国“9.11”事件后，由于当时此事件引发的重大伤亡和一系列恶劣影响，所以我们国家才大量的投入研究。1.2.1 火灾逃生装置国内外研究现状当前我们国家高层逃生装置救援能力与当今的社会发展进程严重不符，装置单调，救援能力远远落后。我国高层救援还是传统的疏散方式，比如走楼梯，避难层、走廊、房间里床单还有安全绳等等，但是这些操作往往只能在底层楼房奏效。然后就有各种逃生装置被应用。当下我们使用和研究的逃生装置有：救生梯、救生绳子、救生滑道、高空缓降器、救生气垫、飞行设备、升降机类等等。国外很多国家在这方面投入大量研究，研制出了许多逃生设备。日本研制了螺旋式的不锈钢室外楼梯；德国研制一种由载人舱、运载器和齿轨组成的救生系统；俄罗斯科学家也发明了一种所以人都能用的充气逃生伞。虽然目前各种逃生装置不少用于实际，但问题也比较多，比如高层住户小孩与老人、病人等的存在，大量设备就不再适用。而且有相关规定，逃生绳适用高度低于6米，逃生滑道适用高度低于60米，逃生缓降器高度低于30米等。1.2.2 缓冲气泰技术研究现状安全气囊由于其低成本、重量轻、方便折叠以及具有良好的缓冲性能等优点,使得安全气囊着陆缓冲技术被广泛应用于大型装备、无人机回收和外太空装备着陆等领域，它的主要功能是减少降落伞的面积，大大减少着陆时所受的冲击，在有限的距离上耗散或吸收能量。安全气囊着陆缓冲技术主要以美国JPADS（联合精确空投系统）着陆缓冲系统和CM（猎户座登陆舱）着陆缓冲系统为代表。加拿大CL289、美国AQM-34V等无人机均采用安全气囊减震功能，美国“火星探路号”、“机遇号”、“勇气号”火星探测器均采用安全气囊减震技术缓冲着陆。前苏联的“舍利夫-2”型无货台空投系统也采用了安全气囊系统来缓冲着陆。国内外目前在安全气囊数值计算中广泛应用的是基于热力学理论的控制体积法或均压法，简称CV法。此方法计算快，在安全气囊设计中被广泛应用。对于着陆缓冲安全气囊设计我们国家和国外做了大量的研究。对于着陆时的翻倒、反弹等等问题设计了各种类型，如排气孔面积可控气囊、排气孔面积固定气囊、无排气孔气囊等；利用刚体动力学、热力学等知识对安全气囊缓冲着陆进行建模分析。1.3 研究的主要内容在高层住户的人员遇到火灾需要逃生时，往往阳台窗口是最快能脱险的。据不完全统计，高层发生火灾有大约百分之七十的人是高层跳楼致死的。本课题研究考虑到国内落后的逃生装置的不足，对高层逃生进行分析，通过窗口、阳台等一些就近出口利用安全气囊缓冲着陆原理进行逃生。主要研究内容有：1 .由于高层火灾的严重性，对当前逃生装置优缺点进行分析，提出利用安全气囊缓冲着陆原理设计高层逃生装置的设想。2 .提出高层建筑逃生装置的方案，对气囊主体结构和气囊缓冲原理进行分析。3 .进行高层逃生装置各个分系统的设计与理论分析。4 用三维建模软件进行建模。本课题在当前有的研究基础上进行分析总结，这个缓冲原理是通过安全气囊限压排气来消耗逃生人员的动能，然后达到减速作用，研究出一种用于多类别人群、多场合的便携自救高层逃生装置，这个装置由特质的背包，边上装有两个压缩气瓶充气的气囊，还有气囊打开时做牵引用的伞包组成。2高层建筑逃生装置的方案设计1.1 高层建筑火灾概述我们国家一般规定十层及以上居住建筑高度超过24米建筑为高层建筑，房顶上的电梯机房、楼梯出口小间、屋顶上水箱房等不算建筑高度。一般来说住户发生火灾原因主要有生活用火不慎：比如做饭的时候用火，在用火过程中可能操作不规范或者时间长忘记了关火等情况。吸烟用火不慎：吸烟乱扔的烟头还有点火的打火机都有可能引发火灾，还有在床上吸烟掉在床上的火星都有可能引发火灾。小孩玩火不慎：在好多地方发生火灾很多就是因为小孩玩火引起火灾。电路老化引发火灾：好长时间没有检查的线路老化磨损引发火灾。在高层的住户要是发生火灾所带来的伤亡和损失是无法估量的，伤亡主要由以下方面：1.皮肤烧伤：人体皮肤的烧伤往往不单单是被火焰直接烧伤，还有可能是被热辐射烧伤的，皮肤的烧伤有时候是非常严重的，甚至会致人死亡。2 .窒息与中毒：发生火灾时烟气中往往有大量有毒气体，这些气体刺激人的感官，使人窒息、昏厥甚至死亡，产生的烟尘会进入肺部堵塞呼吸道使人窒息。3 .缺氧：发生火灾时，燃烧的火焰需要消耗大量氧气，逃生的人会感到周围氧气不够呼吸，进而感到缺氧。4 .跳楼与踩踏致死：发生火灾时好多人因为心里惧怕的原因会慌乱导致来来回回跑，进而发生踩踏致死事件，还有的人因为从楼梯出口逃不掉进而跳楼，这种做法在高层的人是绝对不可取的。2.2高层火灾持续时间及逃生疏散时间火灾从着火到熄灭可以分为下面几个阶段：1 .火灾初期阶段：刚开始燃烧的火苗一般比较好控制，要是条件充足会发展成大火，要是发现及时可以早早的扑灭。2 .轰燃阶段：这个阶段是局部火灾向大发展的过程，人员逃离应该在这个阶段之前。3 .充分燃烧阶段：这个阶段是在轰燃阶段之后的，特别大的火焰燃烧放热，危险区温度最高。4 .火焰熄灭阶段：随着可燃物被燃烧殆尽，火势减小，虽然火焰熄灭，但是火场温度还是特别高，仍然具有危险性。由以上火灾发展的过程我们可以进行分析总结，火灾发生的时候在火灾初期是人员逃生的最佳时间点，之后的阶段逃生远远没有初期容易。2.3高层建筑逃生装置方案设计我们根据对逃生疏散的各类影响进行分析，发现一个原因就是逃生时间太少,而最快能逃生的地方就是窗户阳台，逃生时最短的路线就是垂直下降距离。我们经常说窗口跳楼逃生是特别危险的，因为之前就有报道高层人员从窗户逃生跳楼致死。但是我们要是能有一个缓冲物体可以帮我们减速，使得我们跳窗下去到地面的速度达到一个安全值，那么这未尝不是一个逃生的好方法。安全气囊有体积小、容易折叠、结构简单、质量轻、缓冲着陆性能好等优点，全球安全气囊技术已经用到了航天回收、汽车安全气囊、装备空投等领域。2.3.1高层建筑逃生装置方案的提出由于现有逃生装置的不足，利用气囊缓冲技术设计了一种逃生装置，使得看似极不安全的窗口与阳台逃生变成了一种合理、方便、快捷、安全的逃生方式。我们主要从以下四个方面进行分析：(1)方便快捷性:火灾的区域性蔓延使逃生人员在逃生过程中能够快速利用有效的逃生出口。发生火灾时逃生装置必须随身携带，所以逃生装置应该具有便携性的特点。该装置结构具有重量轻、体积小的特点，并配有相应的携带装置，如背包等类似装置。i(2)易操作性:发生火灾时人们往往会感到特别恐惧，会导致操作该装置出现失误，可能会造成更大的损失，因此，设备的设计必须保证操作的简单性，减少操作的错误性。(3)环境适应性:在火灾环境中，逃生人员所处的环境易受高温和烟雾的影响,会阻碍人员的疏散逃离，增加自救难度系数。因此，逃生装置应具有良好的环境适应性。设备必须具有防火、耐高温性能，并配备强光手电筒设备、防毒、防烟保护设备。(4)高效安全:选择逃生比较快的出口，在最短的时间内逃生。该装置采用从窗户或者阳台逃生这样的方式，具有效率高的特点。所以此装置应具有特别高的安全性，因为一般的逃生气垫都有可能出现落点不确定不稳定的特性，所以该装置应该随身携带安全气囊。同时，防止建筑外部突出的东西碰坏逃生装置。为了保证人体快到达地面速度更慢，该装置上面应该还有牵引伞，这个牵引伞对人体有一定的拉力，因为有的楼层比较低，开伞比较慢，容易造成降落伞还没打开就己经快到地面了，所以该装置上面还有快速充气系统，使得降落伞快速打开。从上面的分析来看，逃生装置应具备缓冲缓降系统、携带装置、辅助应急系统、充气系统等部分。各部分的功能为：(1)携带装置:当火灾发生时，逃生人员往往需要逃离比较大的火场去找一个比较合理的逃生出口。因此，逃生人员需要带着逃生装置移动一定的距离，所以该逃生装置一定要便捷。(2)充气系统:可以参考降落伞的工作原理，打开降落伞袋需要保证足够的下降距离，因为降落伞包打开就需要时间。因此，为了早早的提供下降的阻力并且降低下降高度就需要将牵引降落伞袋和缓冲气囊设计为快速充气型，充气系统是为了给设备快速充气。(3)缓冲缓降系统:该系统的主要结构包括牵引伞和缓冲气囊。牵引伞的作用是利用下降过程中的牵引力固定下落的人的姿势，并提供阻力以减小下落的速度。缓冲气囊的作用是缓冲人员与地面的碰撞，吸收人员着陆时的能量，减少人员受到的冲击。(4)辅助应急系统:辅助应急系统包括应急水跟食物、防毒毛巾、应急强光手电筒、应急医疗包等。这些应急物品可以在火灾中起到重要作用。2.3.2高层逃生爰置的工作原理本课题对逃生装置的研究主要是考虑逃生人员能够在最短的时间内通过最短的距离逃到安全的地方。该装置适用于各种人群，是一种实用个体逃生装置，工作原理如下：(1)判断火灾情况，选择更好的逃生方法，如果平常的楼梯和防烟电梯能够逃离，则应该从这里逃离，不然就应该用此逃生装置。(2)判断需要使用逃生设备后，对设备进行固定，找一个合理的逃生出口，用粘扣对逃生装置进行固定和调整，将后面的牵引伞固定在前面。在逃生的过程中，装置附带的应急包可用于处理突发因素。(3)在逃生出口，向外侧身，给牵引伞充气，通过牵引力将逃生人员拖出逃生出口。同时，背部缓冲气囊充气打开，逃生人员开始下降。(4)下落过程中，在空气阻力和牵引伞作用下，逃生人员下落速度在高度足够时变的均匀，在人体快要碰到地面的速度应控制在6ms以内。(5)当气囊着地的时候，气囊被压缩，当达到1.2atm的时候，安全气囊排气孔打开，达到吸收极限后向外排气，使人速度控制到L2m/s之内。为了保证逃生装置可以在关键时刻不出问题，还得定期维护、保养设备。我们由经验可以知道人体落地时臀部、背部落地与地面接触面积大，人受伤概率小，所以该装置采用背部落地方式设计。2.3.3逃生装置总体布局因为设计的是高层建筑逃生装置，所以该设计尽可能要轻便，方便逃生。了解到背包、降落伞、安全气囊、潜水呼吸机的结构，将它们的特点结合起来，设计出了一款逃生装置，总体结构图如下图2-L球置性1.降落牵引伞2.缓冲气囊3.束缚绳4.牵引伞包5.调节扣6.应急救援包7.背包8.背带9.气源气瓶图2-1高层建筑逃生装置结构示意图如图2-1所示，此装置比较像人们日常使用的双肩书包7,牵引降落伞包是4,牵引降落伞包里面装的就是牵引伞1,背包里面装的就是折叠安全气囊2,背包两边是气源气瓶9,气瓶用来给牵引降落伞1与缓冲安全气囊2充气。背包里面靠近人体有两个小袋就是紧急应急包6,两边可以装强光手电筒、防毒面巾、少量食物与水等。锁扣5、背带8与束缚带3可以通过调节长短来适用不同体型的人，两个压缩气瓶分别与牵引降落伞包、缓冲安全气囊连接，构成充气回路。2.4本章小结本章通过分析高层建筑火灾发生的原因以及火灾带给人们的严重后果，通过对火灾发展的分析，总结出逃生效率最高的时间段就是火灾初期，所以缩短逃生时间显得尤为重要，进而提出了一种快速逃生装置，并且初步设计出了该装置的总体方案。3安全气囊缓冲着陆的理论研究3.1 气囊缓冲原理安全气囊在被人体挤压的状况下，里边的空气被压缩，人体从高处落下来会有一定的动能，安全气囊通过被压缩吸收这些能量，在气囊上面会有排气孔，当压力过大之后排气孔会释放一定气体，让人体受到的冲击力在一定范围之内，使人安全落地。3.1.1 确定气囊类型缓冲气囊可以分成具有排气功能的与不能排气的气囊，最早使用的安全气囊就是不能排气的，它就类似救生垫一样，一般用于低层楼层逃生，它的缺点就是容易发生倾倒或反弹的现象，还有可能压破气囊。具有排气功能的气囊当压力到达一定极限值之后就开始向外排气，进一步释放能量。安全气囊的气室有多气室的，还有单气室的。单气室气囊容易被扎破击穿并且倾翻逃生人员（如图3-1）。多气室的有多层气囊，可以对人进行更好的保护（如图3-2）,故而本课题采用双气室气囊，内层进一步保护人体，外层缓冲吸收能量。图3单气室气囊的侈潮与击穿现象图A2双气室气囊示意图3.1.2 典型缓冲气囊的工作原理当前典型的缓冲气囊着陆过程如图3-3所示:图3-3缓冲气囊着陆流程图上图所示工作原理为：人员从高处逃离，降落伞包充满气打开，降落牵引伞的拉力可以减缓人员下降速度并且可以使人面朝上，不至于在空中翻转。同时，安全气囊充气打开，当人落地的时候气囊被压缩并且人体开始减速，当气囊内部压力增加到特定压力值之后，排气孔开始排气直到人安全着陆。下图3-4是人员逃生时在空中气囊完全展开的图。1.牵引伞2.我同物3.缓中气囊图3-43. 2缓冲气囊理论分析3.1.1 缓冲过程中的数学模型1 .对气囊的假设为了方便我们对气囊缓冲过程进行分析计算，做以下假设：(1)气囊里边的气体是理想气体；(2)在压缩气囊的过程中，假设气囊只在垂直高低方向有变化，本身无弹性；(3)假设气囊只能从排气孔排气，流量系数不变，所有压缩过程是等燧的；(4)在缓冲过程中忽略空气阻力，缓冲作用力全部由气囊提供。2.气囊缓冲过程的中的数学模型(1)缓冲过程中的基本运动方程如图3-5,对气囊的简化模型受力分析，得出：Mai+Mg=(Pi-)A(3-1)上面式子中，M逃生人员的质量，kg;ai逃生人员的加速度，mlS1；g重力加速度，机/Y；P0外界大气压强，kPa;Pi气囊内部气体压强，kPa;A气囊上表面积，m2o在人体缓冲气囊过程中，人体瞬时加速度与瞬时速度为:(3-2)vi=-dhdtai=-dvldt=d2hdt2上面式子中，h气囊高度，mo载荷体(质量的阚力Fn囊内气体压强C气囊(气体压强心体积力,温度77)打巴口图3-5气囊缓冲过程中的力学模型(2)缓冲过程中的能量守恒分析当气囊落地缓冲的时候，整个过程都遵守能量守恒定律，假设系统内部与外部不进行热量交换，则整个系统总能量的变化量E就等于排气释放的能量AQ与载荷体对气囊做的功AW,即E=÷Q(3-3)而E又可以分成人体动能的变化量阻、势能变化量Ep与气囊内部气体的内能变化量(/，即W+=Ea.+Ep+t/(3-4)各个量的表达式如下：载荷体对气囊做的功：W=PAvdt(3-5)当载荷体压缩气囊到极限值时，排气孔开始排气，其中失去的能量为：Q=cpmTdt(3-6)人体动能变化量：Ek=M(v12-vj)(3-7)人体势能的变化量：MP=Mg(h-hO)(3-8)气囊内部气体的内能变化量：U=cXmtdT(3-9)在上而到的式子中，CP气体定压比热容；n压缩气囊过程中内部气体的质量变化量；%一气体定容比热容；T气囊内部气体温度。(3)缓冲气囊绝热压缩和排气释放能量的研究由上面的假设，安全气囊被压缩缓冲的过程可以看成绝热压缩与排气释放能量的过程。在理想状态下，安全气囊里边各部分温度、比体积与压力等一些参数都相等并且满足以下关系式：- T=Tg)- p=p(T,v)(3-10),v=v(p,T)表示成理想气体状态方程如下：- pv=RflT- pV=mRf,T(3-11)_pV=nRT上述式子中，p气体压强，Pa;V气体比体积，m3/kg；(一一气体常数；R气体摩尔常数是8.314472J(molK)；m气体的质量，kg；V气体体积，w3;n气体物质的量，molo等熠过程中的状态参数方程如下:(3-12)式子中，/一绝热系数，双原子气体7=1.4o气囊排气释放能量的过程在理想状态下，近似等于等燧流动的喷管喷流过程,可以得出排气口排气的速率如下：(3-13)且E1.fF-Ipp单位时间内排气孔排出的气体质量流量为：(3-14)当气体流速达到临界值时，单位时间里排气孔排出的气体质量流量最大值是:(3-15)(3-16)>÷r= 1.893时为亚临界流动状态:设In=KAI0闵'/(RE),当片(3-17)(3-18)由理想气体状态方程得出气体的平均压强为：P=Pi(P9)'由理想气体状态方程得到气囊在排气过程中气囊内部气体压力为:L匕外) 压缩气囊的过程中，人体受到气囊的反作用力为：Fl = Ai(Pi-P0)在上述过程中t时刻对应的瞬时降落速度为：U=匕一L(AI 卜"在t时刻安全气囊被压缩的深度S为：(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)t时刻安全气囊剩余体积匕为:Vi=VqAids(3-23)3. 2.2对气囊缓冲性能的要求安全气囊缓冲性能越好，则逃生人员受的伤越轻，保护效果越好；安全气囊缓冲性能越差，则对逃生人员的保护效果越差。本课题的研究主要是保护高层逃生人员在逃生落地后所受的伤更小，对人的保护效果越好。本设计必须要满足安全气囊可以充分吸收载荷物的动能，而且此装置还要考虑便捷性，这就要减轻没必要的材料从而减轻装置的质量，在满足逃生需求的情况下要将安全气囊的重量控制到最小，因为只有质量变小了人员落地的动能就会越小。下面介绍一个评价安全气囊缓冲吸收能量性能的公式一比吸能SEA,就是气囊缓冲结构单位质量的吸能量，公式如下：SEA(d)=(3-24)M上式中，d一压缩气囊过程中压缩的距离；M缓冲结构总质量；EA缓冲压缩距离内部的缓冲结构的总吸收能量，其大小为：EAoCF(A¼(3-25)上式中，F气囊结构缓冲冲击力。3.3本章小结本章通过对安全气囊缓冲原理进行分析，从动力学、热力学与运动学等方面入手，对安全气囊缓冲过程当中的能量守恒方程、运动方程与缓冲吸收能量过程建立数学模型，为后续设计提供依据。4高层建筑逃生装置分系统的设计和建模4.1逃生装置的性能要求测量项目男(1665周岁)女(1660周岁)PlOP20P30P40P50PlOP20P30P40P50身高mm1525157816621758182114651492156516281681体重kg45495773824043496070坐高mm825861917962981788810860898918坐姿肩高mm528560601639660510521558596610肩宽mm327339368395412311319349366382表4T人体相关组织测量数据1 .逃生装置的总承载质量在人员逃生过程中，如果忽略气体的外泄，那么整个装置的总质量M就等于载荷体质量必和逃生装置的质量W2之和，则有：M=Ml+M2(4-1)由表4T得到人体相关数据，载荷体质量M应尽量选比较大的值，数据尽量靠近P50,所以M=80kg,V?应不超过20kg,为了装置的安全性，设计的安全逃生装置承载总质量增大20%,取安全系数=1.2,则该逃生装置可以承受的最大总质量为：“总=M(4-2)则M总=120Zg。2 .适用人群本文研究的主要是满足大部分身高在140Cm210cm、体重在IlOkg以下的普通群体的逃生装置，本设计因为受到身高、体重等各方面的影响，一些特殊人群可能会超出适用范围，可以为他们量身定做合适的型号。3 .最终的速度根据研究，人体落地速度小于L2ms时，可以不受伤安全落地。所以，在安全气囊上面缓冲结束的速度4应控制在1.2ms内。为了减小安全气囊的体积，应将人体接触气囊的初速度控制在6ms以内，这个速度主要由牵引降落伞控制。4 .逃生装置缓冲性能的设计带入数据到公式(3-3)(3-9),得到气囊缓冲过程能量的变化量：动能的变化量：Ek=1/2M(诏-V,2)=2073.67势能的变化量：AEP=MgH=960J安全气囊主要目的就是吸收人体的动能与重力势能，气囊内部气体温度的变化可以不考虑。将上式计算结果代入(3-24)与(3-25)得到吸能比为：SEA=(Ek+Eff)/M=25.3J/kg4. 2缓冲缓降系统的设计4.2.1 牵引降落伞的设计在整个系统中，牵引降落伞主要使人体的下落姿态稳定-面朝上背部朝下，这样可以避免人体在空中姿态的不确定性，然后就是它还可以提供下降的阻力，起到辅助安全降落的作用。我们参考相关降落伞的工作原理可以了解到降落伞开伞是需要一定的时间的，所以对跳伞有一定的高度要求。而对于高层建筑一般高度都是有限度的，所以为了减少开伞时间，适用高层建筑，将牵引降落伞设计成快速充气型。这个时候，牵引降落伞的牵引力F就等于空气阻力F.与伞的浮力乃之和，即F=F,+F1(4-3)zJ空气阻力方程：E=pv2S(4-4)式子中，p空气密度，kgm3；V系统相对空气的速度，m/s；S牵引降落伞迎风面面积，m20伞的浮力方程为：Ff=ApgV(4-5)上面式子中，g重力加速度，m/s2；p伞内气体密度与空气密度差，kgm3;V牵引降落伞充气体积，m（1）牵引伞的材料以及填充气体的选择发生火灾时我们选择的逃生装置材料肯定得有阻燃性能，然后隔热性也得好。牵引伞的材料在保证其强度的同时还要兼顾其厚度一定要控制好，不能使得装置太重了。选择芳纶纤维作为牵引伞的材料，因为这种合成纤维具有我们需要的上述特征，而且它的抗老化性能比较好，可以长时间存放而不会导致材料老化，对伞表面涂上硅酮使其透气性降低。填充的气体一定是不可以燃烧气体，选用压缩空气进行充气。（2）牵引降落伞的设计1.充气孑L2牵引伞面3.支撑充气管4.伞绳既1牵引tJ图牵引降落伞由伞口的圆形充气管与伞面的六根充气管支撑，如上图4-1所示。在空中匀速降落时：F=Mg(4-6)此时降落伞的迎风面积：S=2R2(4-7)充气管的总长为：L=5R(4-8)充气管的总体积是：Vy=r2L(4-9)上面式子中，R是牵引降落伞的伞面半径，r是充气管的半径，r为50mm。将(4-4)(4-5)(4-8)(4-9)代入(4-6),得到伞面半径R约等于130OmllU伞绳选为3000mm,伞衣三维模型如图4-2所示：图4-2牵引降落伞三维图4. 2.2气囊的设计在缓冲气囊着陆时，计划着陆速度6ms,气囊是双重结构，贴近人体的是保护气囊，主要保护人体安全，初始安全气囊充气压力LolMPa。气囊的形状选择半球型，可以通过侧滑降低碰撞侧面的冲击力。其示意图如图4-3。1 .材料与气体的选择材料的选择必须要防火并且不容易被损毁，所以还是选择芳纶纤维材料，外层涂硅酮，气体也还是选择压缩空气。2 .气囊的设计参考表4-1的各种参数，设定缓冲气囊高度h=0.8m,整体组织落地初速度v1=65,人体安全落地速度匕=1.2ms,可以估算平均缓冲加速度I与缓冲时间t为:(4-10)(4-11)得出。=21.6小/,t=0.3so由公式(3-13)(3-15),得到气囊排气的体积流量/(ZJmin)与排气孔面(4-12)积S八的关系式：%=22.7Sa由(4-12)得排气孔面积为:为保证保护效率更高，设定气囊半径Im0则气囊体积是：V=2(2-)(4-14)23得到V约等于1500Lo气囊内部1500L的气体要在0.3s之间从1.21MPa的气囊内部排到大气中，过程结束气囊里边剩余300L气体,假设初始温度25,由公式(4-13)得S八=180cw2.排气孔半径约等于5cm。1 .保护气囊2人体保护区3.缴中气囊进气口4微吸片逑5.充气孔6.打汽孔佟上3缓冲喇构示意图如