2012-11-19 16:07:00
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隨著電子計算機的迅猛發展，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定性分析方面得到了廣泛的應用，取得了顯著的成效。某大型軍用方艙（以下簡稱方艙）屬非標方艙，長×寬×高為6000 mm×3100 mm×2100 mm（軍用標準方艙寬度的最大值為2438 mm），方艙內無隔墻，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。
2. 方艙的結構設計及載荷要求
2.1 方艙的結構設計
根據方艙的自重要求，結合工廠成熟的生產工藝裝備特點，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、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2A12-T4，內蒙皮為冷軋鋼板Q235A，內、外蒙皮之間為硬質聚氨酯泡沫塑料。方艙外形見圖1。
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：
a.在每塊夾層板內增加圈梁。圈梁采用抗扭性好的方形管材料，并與板內的加強筋可靠地連接在一起，形成骨架式夾層板。
b.底板的骨架材料采用優質碳素結構鋼，以增加其抗彎性和承載性。
c.加大滑橇斷面尺寸，并在滑橇內部沿長度方向增加V型加強筋，以增加滑橇的抗彎性能。
d.加大底板和側板的聚氨酯發泡密度，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。
2.2 方艙的載荷要求
a.方艙應能夠承受5000 kg的載荷。
b.方艙承載后，應滿足空中吊運的要求。
c.方艙承載后，應能夠承受3根直徑為50 mm的滾杠上的支撐和移動。考慮到實際中，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。
3. 方艙的有限元分析
根據方艙的載荷要求，需要按三種工況進行有限元分析：即平臺支撐工況、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。
3.1 有限元模型的建立
根據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口的影響忽略不計。根據方艙的結構特點，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1種，經過等剛度變換，將復合夾層板等效為15 mm厚的鋁板，通過網絡劃分，共劃分了7963個節點和13498個單元，其中梁單元11020個，板單元2478個。結構離散圖見圖2。
3.2 約束條件的建立
a.平臺支撐工況：平臺的四個角限制方艙在X、Y、Z方向上的平移。載荷均布在艙內地板上。
b.整體起吊工況：方艙頂部的四角為起吊位置，其中一角限制方艙在X、Y、Z方向上的平移，另外三個角只限制方艙在Z方向上的平移。載荷均布在艙內地板上。
c.整體滾杠工況：方艙底部的3根滑橇與2根滾杠有6個點接觸，這6個點限制方艙在X、Y、Z方向上的平移。載荷均布在艙內地板上。
3.3 方艙組成材料的特性參數
方艙的外蒙皮材料為硬鋁合金板2A12-T4，內蒙皮、滑橇材料為冷軋鋼板Q235A，由于采取了等剛度變換，內、外蒙皮之間的硬質聚氨酯泡沫塑料不予考慮。材料的特性參數見表1。
3.4 計算結果及分析
a.平臺支撐工況：其應力圖見圖3，變形云圖見圖4。由圖3看出，當艙內地板上均布5000 kg載荷時，其最大應力出現在底板的滑橇上，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。由圖4看出，其最大位移發生在底板上，最大位移量為0.399 mm，變形量很小。
b.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，方艙的受力狀圖5整體起吊工況應力圖況和變形程度將直接影響到方艙的使用要求。起吊工況的應力圖見圖5，變形云圖見圖6。由圖5、圖6可知，配載后的起吊，其最大應力值為177 MPa，發生在底板的滑橇上，在材料的彈性變形范圍之內；而其最大位移為20.5 mm，發生在底板的中心部位，文獻[3]中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軍用標準。
c.整體滾杠工況：其應力圖見圖7，變形云圖見圖8。由圖7看到，在滾杠過程中，底板的滑橇上產生的應力最大，為225 MPa，雖然也在材料的彈性變形范圍之內，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至。由圖8看到，在滾杠過程中，最大位移量為1.49 mm，發生在底板上，變形量較小。
為了便于比較，將三種工況下的最大應力和變形進行匯總，得表2。
a.由以上計算分析可知，在三種工況下，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小；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，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。
b.從表2可以看到，起吊工況、滾杠工況的安全系數偏低，這里未考慮方艙內、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。
c.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品的研制設計提供一定的參考。
