大型军用方舱结构设计的有限元分析

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1、大型军用方舱结构设计的有限元分析1.引言 　　随着电子计算机的迅猛发展，有限元分析技术在军用方舱的设计，尤其是在非标、异型、扩展等方舱的结构稳定性分析方面得到了广泛的应用，取得了显著的成效。某大型军用方舱（以下简称方舱）属非标方舱，长×宽×高为6000mm×3100mm×2100mm（军用标准方舱宽度的最大值为2438mm），方舱内无隔墙，方舱自重不允许超标，这就为方舱的强度和刚度设计增加了难度。为了保证该方舱能够在各种使用条件下，具有足够的强度和刚度满足使用要求，在方舱的结构设计完成后，必须对其

2、进行应力分析。本文的有限元计算是在大型通用分析软件IDEAS在SGI工作站上完成的。2.方舱的结构设计及载荷要求2.1方舱的结构设计　　根据方舱的自重要求，结合工厂成熟的生产工艺装备特点，方舱仍采用大板式结构，整个舱体主要由六块夹层复合板、滑橇、铸钢角件和内、外角型件组装而成。复合板为夹筋夹层结构，外蒙皮为硬铝合金板2A12-T4，内蒙皮为冷轧钢板Q235A，内、外蒙皮之间为硬质聚氨酯泡沫塑料。方舱外形见图1。　　为了保证该方舱有足够的强度和刚度，在结构设计中主要采取以下措施：　　a.在每块夹层板

3、内增加圈梁。圈梁采用抗扭性好的方形管材料，并与板内的加强筋可靠地连接在一起，形成骨架式夹层板。　　b.底板的骨架材料采用优质碳素结构钢，以增加其抗弯性和承载性。　　c.加大滑橇断面尺寸，并在滑橇内部沿长度方向增加V型加强筋，以增加滑橇的抗弯性能。　　d.加大底板和侧板的聚氨酯发泡密度，在重量增加相对不多的情况下，能有效提高夹层板的机械性能。 2.2方舱的载荷要求　　a.方舱应能够承受5000kg的载荷。　　b.方舱承载后，应满足空中吊运的要求。　　c.方舱承载后，应能够承受3根直径为50mm的滚杠

4、上的支撑和移动。考虑到实际中，3根滚杠有可能不会同时受力，为了安全，下面按2根滚杠进行计算分析。3.方舱的有限元分析　　根据方舱的载荷要求，需要按三种工况进行有限元分析：即平台支撑工况、整体起吊工况和整体滚杠工况。有限元分析的流程为：选取单元、建立模型、定义约束条件、求解设置、求解运算、输出结果和分析汇总。3.1有限元模型的建立　　根据方舱工程设计图的尺寸和结构形式，可对部分结构进行适当简化，将上边的电源门与下边的开关门合并，视为一扇大门，对其它尺寸较小的孔口的影响忽略不计。根据方舱的结构特点，结

5、构离散采用了梁单元和板单元，夹层板中的门框按梁单元考虑，其中梁单元8种，板单元1种，经过等刚度变换，将复合夹层板等效为15mm厚的铝板，通过网络划分，共划分了7963个节点和13498个单元，其中梁单元11020个，板单元2478个。结构离散图见图2。3.2约束条件的建立　　a.平台支撑工况：平台的四个角限制方舱在X、Y、Z方向上的平移。载荷均布在舱内地板上。　　b.整体起吊工况：方舱顶部的四角为起吊位置，其中一角限制方舱在X、Y、Z方向上的平移，另外三个角只限制方舱在Z方向上的平移。载荷均布在舱

6、内地板上。　　c.整体滚杠工况：方舱底部的3根滑橇与2根滚杠有6个点接触，这6个点限制方舱在X、Y、Z方向上的平移。载荷均布在舱内地板上。3.3方舱组成材料的特性参数　　方舱的外蒙皮材料为硬铝合金板2A12-T4，内蒙皮、滑橇材料为冷轧钢板Q235A，由于采取了等刚度变换，内、外蒙皮之间的硬质聚氨酯泡沫塑料不予考虑。材料的特性参数见表1。3.4　计算结果及分析　　a.平台支撑工况：其应力图见图3，变形云图见图4。由图3看出，当舱内地板上均布5000kg载荷时，其最大应力出现在底板的滑橇上，最大应力

7、值为53.1MPa，小于材料的屈服强度，在材料的弹性变形范围之内。由图4看出，其最大位移发生在底板上，最大位移量为0.399mm，变形量很小。　　b.整体起吊工况：方舱的整体吊运，是为了便于方舱的装车运输。在起吊过程中，方舱的受力状图5整体起吊工况应力图况和变形程度将直接影响到方舱的使用要求。起吊工况的应力图见图5，变形云图见图6。由图5、图6可知，配载后的起吊，其最大应力值为177MPa，发生在底板的滑橇上，在材料的弹性变形范围之内；而其最大位移为20.5mm，发生在底板的中心部位，文献[3]中

8、对纵向刚度的要求是纵向挠曲不大于25mm，因此，该工况最大位移满足电子行业军用标准。　　c.整体滚杠工况：其应力图见图7，变形云图见图8。由图7看到，在滚杠过程中，底板的滑橇上产生的应力最大，为225MPa，虽然也在材料的弹性变形范围之内，但已接近材料的屈服强度，显然是由于滑橇与滚杠接触点处的压强增大所至。由图8看到，在滚杠过程中，最大位移量为1.49mm，发生在底板上，变形量较小。　　为了便于比较，将三种工况下的最大应力和变形进行汇总，得表2。　　a.由以上计算分析可知，在三种工