大型軍用方艙結構設計的有限元研究

張建偉　張宏偉

摘 要：隨著電子計算機的迅猛發(fā)展，有限元分析技術在軍用方艙的設計，尤其是在非標、異型、擴展等方艙的結構穩(wěn)定性分析方面得到了廣泛的應用，取得了顯著的成效。為此，本文在充分掌握方艙概況的基礎上，結合具體案例，對大型軍用方艙結構設計有限元相關內(nèi)容進行了分析與探究。

關鍵詞：方艙；結構設計；有限元

1 方艙的概況

方艙是指用各種堅固材料有機的組合在一起，，形成的方便，可移動的整體。本詞來自于美軍的軍事術語，直接來講就是一個可以活動的"房子"，里面具備先進指揮系統(tǒng)。方艙類似于集裝箱，其標準也是參考集裝箱標準制定的，根據(jù)需求不同，裝載不同的設備及裝置。與集裝箱對比，方艙具有更高的可靠性、電磁兼容性、氣密性、隔熱性等。由于軍事領域的需要，我國機動部隊也參照美軍進行建設，因此在我國軍方出現(xiàn)了方艙。我國大概從上個世紀80年代初開始了方艙的研制工作，最初的方艙為骨架式結構，外形、內(nèi)飾均受其骨架限制；經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已具備國際一流技術，均為大板方艙，各個面均為整板，外形美觀且可靠性高。目前方艙廣泛應用于軍民領域，軍品主要參考美軍進行建制，民品廣泛應用于各類特種車輛：應急通信車、電站車、部分房車等。

2 案例分析

某大型軍用方艙（以下簡稱方艙）屬非標方艙，長x寬X高為6000Inlnx3lOO mm x 2 1 00 mm（軍用標準方艙寬度的最大值為2 438 rnm，方艙內(nèi)無隔墻，方艙自重不允許超標，這就為方艙的強度和剛度設計增加了難度。為了保證該方艙能夠在各種使用條件下，具有足夠的強度和剛度滿足使用要求，在方艙的結構設計完成后，必須對其進行應力分析。本文的有限元計算是在大型通用分析軟件IDEAS在SGI工作站上完成的。

3 方艙結構設計要點

3.1 方艙的結構設計

根據(jù)方艙的自重要求，結合工廠成熟的生產(chǎn)工藝裝備特點，方艙仍采用大板式結構，整個艙體主要由六塊夾層復合板、滑橇、鑄鋼角件和內(nèi)、外角型件組裝而成。復合板為夾筋夾層結構，外蒙皮為硬鋁合金板ZA12一T4，內(nèi)蒙皮為冷軋鋼板Q235A，內(nèi)、外蒙皮之間為硬質(zhì)聚氨酷泡沫塑料。為了保證該方艙有足夠的強度和剛度，在結構設計中主要采取以下措施：

（1）在每塊夾層板內(nèi)增加圈梁。圈梁采用抗扭性好的方形管材料，并與板內(nèi)的加強筋可靠地連接在一起，形成骨架式夾層板。

（2）底板的骨架材料采用優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，以增加其抗彎性和承載性。

（3）加大滑橇斷面尺寸，并在滑橇內(nèi)部沿長度方向增加V型加強筋，以增加滑橇的抗彎性能。

（4）加大底板和側板的聚氨酷發(fā)泡密度，在重量增加相對不多的情況下，能有效提高夾層板的機械性能。

3.2 方艙的載荷要求

方艙應能夠承受5 000kg的載荷。方艙承載后，應滿足空中吊運的要求。方艙承載后，應能夠承受3根直徑為50mm的滾杠匕的支撐和移動?？紤]到實際中，3根滾杠有可能不會同時受力，為了安全，下面按2根滾杠進行計算分析。

4 方艙結構設計的有限元分析

根據(jù)方艙的載荷要求，需要按三種工況進行有限元分析：即平臺支撐仁況、整體起吊工況和整體滾杠工況。有限元分析的流程為：選取單元、建立模型、定義約束條件、求解設置、求解運算、輸出結果和分析匯總。

4.1 有限元模型的建立

根據(jù)方艙工：程設計圖的尺寸和結構形式，可對部分結構進行適當簡化，將上邊的電源門與下邊的開關門合并，視為一扇大門，對其它尺寸較小的孔日的影響忽略不計。

根據(jù)方艙的結構特點，結構離散采用了梁單元和板單元，夾層板中的門框按梁單元考慮，其中梁單元8種，板單元l種，經(jīng)過等剛度變換，將復合夾層板等效為巧mm厚的鋁板，通過網(wǎng)絡劃分，共劃分了7963個節(jié)點和13498個單元，其中梁單元11020個，板單元2478個。

4.2 方艙組成材料的特性參數(shù)

方艙的外蒙皮材料為硬鋁合金板2A12一T4，內(nèi)蒙皮、滑橇材料為冷軋鋼板Q235A，由于采取了等剛度變換，內(nèi)、外蒙皮之間的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不予考慮。

4.3 計算結果及分析

（1）平臺支撐工況。當艙內(nèi)地板上均布5000kg載荷時，其最大應力出現(xiàn)在底板的滑橇上，最大應力值為53.1 MPa，小于材料的屈服強度，在材料的彈性變形范圍之內(nèi)。其最大位移發(fā)生在底板上，最大位移量為0.399 mm，變形量很小。

（2）整體起吊工況。方艙的整體吊運，是為了便于方艙的裝車運輸。在起吊過程中，整體起吊工況應力圖況及變形程度將直接影響到方艙的使用要求。配載后的起吊，其最人應力值為177 MPa，發(fā)生在底板的滑撬上，在材料的彈性變形范圍之內(nèi)；而其最大位移為20.5 mm，發(fā)生在底板的中心部位，對縱向剛度的要求是縱向撓曲不大于25 mm，因此，該工況最大位移滿足電子行業(yè)軍用標準。

（3）整體滾杠工況。在滾杠過程中，底板的滑橇上產(chǎn)生的應用最大，為225mpa，雖然也在材料的彈性變形范圍之內(nèi)，但已接近材料的屈服強度，顯然是由于滑橇與滾杠接觸點處的壓強增大所致。在滾杠過程中，最大位移量為1.49mm，發(fā)生在底板上，變形量較小。

（4）結論。在以上工況下，位移最大的工況是方艙的起吊工況，最大位移量為20.5 mm，符合相關標準，其余兩種工況的位移量都很??；應力最大的工況是方艙的滾杠工況，最大應力值為225 MPa，在材料的彈性變形范圍之內(nèi)，其余兩種工況的應力都較小。因此，方艙的結構設計能夠滿足方艙的強度和剛度的要求。

由此可見，起吊工況、滾杠工況的安全系數(shù)偏低，這里未考慮方艙內(nèi)、外角形件和鑄鋼角件的加強作用，而且滾杠工況是按2根滾杠計算分析的。該方艙的試驗結果表明，其各項性能指標均達到了設計標準，完全符合使用要求，說明本文的有限元分析的結果合理、可信，同時也可為今后同類產(chǎn)品的研制設計提供一定的參考。

5 結束語

綜上所述，方艙作為一種通用的設備裝載平臺，具有較強的機動性和環(huán)境適應性，日漸進入到更多的應用領域，因此迫切需要一套科學的理論和分析方法，來指導方艙的研制和生產(chǎn)。論文利用有限元技術對大型軍用方艙進行了結構性能研究?；诜脚撎厥獾沫h(huán)境使用要求，對方艙結構設計要點及有限元的分析，可得出三種工況要求的方艙結構設計基本思路，對提高方艙產(chǎn)品的技術水平具有借鑒意義。

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