某型方艙的有限元分析

王 鐵 徐婧雨

（沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110159）

0 引言

方艙起源于美國(guó)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代的美軍軍事裝備當(dāng)中。它是一種特殊的汽車車廂，是用各種堅(jiān)固材料有機(jī)地組合在一起，形成的方便、可移動(dòng)的整體。作為一種移動(dòng)箱式工作間，具有一定的強(qiáng)度、剛度和使用壽命，并以其良好的防護(hù)能力、密封性能、運(yùn)輸靈活性廣泛應(yīng)用于技術(shù)勤務(wù)、工程現(xiàn)場(chǎng)、指揮中心、武器系統(tǒng)以及野戰(zhàn)醫(yī)療等方面。因此，方艙以其靈活的轉(zhuǎn)移性、可靠的電磁兼容性、良好的氣密性和保溫性等優(yōu)良的特點(diǎn)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中各個(gè)重要領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，方艙已經(jīng)悄然地成為軍用武器裝備和民用運(yùn)輸工具的主要載體。尤其在軍事領(lǐng)域，軍事技術(shù)的迅速提升使得國(guó)家對(duì)軍用方艙的結(jié)構(gòu)性能的要求越來(lái)越高，高性能的方艙結(jié)構(gòu)成為方艙設(shè)計(jì)的重心[2]。

隨著計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，有限元技術(shù)逐漸成為一種穩(wěn)定的、可靠的近似數(shù)值計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)過程中成為行之有效的工程手段[3]。本文利用有限元技術(shù)對(duì)某型方艙的進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)方艙的材料性能判斷方艙結(jié)構(gòu)的合理性。選取三點(diǎn)支撐工況作為研究背景，該工況能較好地確定方艙的承載能力[4]，契合實(shí)際且具有研究?jī)r(jià)值。

1 有限元模型的建立和分析

本文研究的方艙屬于標(biāo)準(zhǔn)方艙。方艙主要由前后左右側(cè)板，頂板和底板組成，鋁板作為內(nèi)外蒙皮，鋼骨架之間用埋板固定艙內(nèi)設(shè)備。方艙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，某些結(jié)構(gòu)件對(duì)方艙整體的應(yīng)力及形變的影響很小，卻會(huì)降低計(jì)算機(jī)的計(jì)算效率。

方艙的組成部件多而復(fù)雜，某些結(jié)構(gòu)部件對(duì)整個(gè)方艙的應(yīng)力及形變的影響非常小，但是卻會(huì)很大程度上影響計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)問題求解和建模的復(fù)雜程度。所以在對(duì)方艙研究之前，我們?cè)诮ｋA段需要對(duì)方艙的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文在不影響計(jì)算精確度的基礎(chǔ)上，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)如下：1）方艙骨架通過焊接而成一體，焊接處的材料性能可以認(rèn)為與相鄰結(jié)構(gòu)件材料性能相同；2）方艙發(fā)生的變形是小變形，蒙皮和夾芯之間是不存在相對(duì)滑動(dòng)的，各個(gè)結(jié)構(gòu)部件相互結(jié)構(gòu)，接觸面的粘結(jié)強(qiáng)度足夠，不會(huì)發(fā)生分離、脫粘現(xiàn)象；3）方艙各結(jié)構(gòu)件通過螺栓、鉚釘連接，這些連接件需進(jìn)行接觸、擠壓等非線性的求解才可以得知其受力和傳力的情況。而方艙本身屬于大型結(jié)構(gòu)，以上連接件多而復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行求解不現(xiàn)實(shí)，本文可以簡(jiǎn)化；（4）方艙夾層中的隔熱木板、各種孔、及其包邊都可以忽略，不考慮其對(duì)方艙剛度和強(qiáng)度的影響；5）忽略角件，即三塊方艙大板相交的夾角，可用來(lái)連接這三塊大板。同時(shí)兩個(gè)大板側(cè)面梁的連接，可以將其等效成1條梁[5]。

根據(jù)方艙建模的假設(shè)建立方艙的幾何模型，賦予材料屬性，劃分有網(wǎng)格。方艙骨架和滑橇材料使用結(jié)構(gòu)鋼，蒙皮材料使用鋁合金，軟件材料庫(kù)可直接調(diào)用。最終劃分的有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)853405個(gè)，單元56877個(gè)。在有限元模型劃分網(wǎng)格之后，需要對(duì)所劃分的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，也即需要檢查網(wǎng)格幾何形狀的合理性。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將會(huì)直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。在ANSYS中Meshing網(wǎng)格設(shè)置里，在“Details of Mesh”參數(shù)設(shè)置面板Statistics中可以對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量評(píng)估。本文從兩個(gè)方面對(duì)有限元網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，首先是Element Quality（單元質(zhì)量），即選擇單元質(zhì)量之后，此時(shí)在信息欄中會(huì)出現(xiàn)Mesh Meric窗口，從窗口內(nèi)顯示的網(wǎng)格質(zhì)量劃分圖表可知，Element Quality圖表中的值越接近于1，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量就越好。圖中確實(shí)絕大部分?jǐn)?shù)量的網(wǎng)格都靠近1，網(wǎng)格質(zhì)量較。然后是Warping Factor（扭曲系數(shù)）指標(biāo)，該指標(biāo)主要是用于計(jì)算或者評(píng)估四邊形殼單元、含有四邊形面的塊單元楔形單元及金字塔單元等，高扭曲系數(shù)表明單元控制方程不能很好地控制單元，需要重新劃分。選擇此項(xiàng)之后，此時(shí)在信息欄中會(huì)出現(xiàn)Mesh Metric窗口，窗口中同樣可以看出大部分單元的扭曲系數(shù)都靠近0，高扭曲系數(shù)的單元數(shù)量非常少，因此可見單元?jiǎng)澐值馁|(zhì)量較好。因此本文有限元模型單元質(zhì)量良好適宜做以下的有限元分析。

方艙選擇三點(diǎn)支撐工況，按照有關(guān)技術(shù)文件[6]規(guī)定，在方艙內(nèi)部均勻加載。模擬時(shí)限制方艙頂板三角，懸空一角。最終產(chǎn)生的最大變形在底板內(nèi)蒙皮上，最大變形為1.6678mm，符合標(biāo)準(zhǔn)[7]，剛度滿足要求。而方艙的應(yīng)力底板懸空點(diǎn)，最大應(yīng)力發(fā)生圖中紅色標(biāo)記處，最大應(yīng)力值為90.357MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁板的屈服極限，具體的云圖如圖1，因此方艙的強(qiáng)度滿足要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的是某型方艙的結(jié)構(gòu)合理性，對(duì)某型號(hào)方艙首先根據(jù)根據(jù)實(shí)際尺寸和廠家提供的數(shù)據(jù)，對(duì)方艙建立三維幾何模型，再將其導(dǎo)入ANSYS中賦予方艙各部分材料的屬性、劃分有限元網(wǎng)格得到有限元模型，最終根據(jù)實(shí)際工況模擬載荷和約束進(jìn)行有限元分析。最終分析結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方艙強(qiáng)度滿足要求，且有很大的強(qiáng)度富余。變形很小，實(shí)際情況中甚至可忽略不計(jì)。因此本文方艙的結(jié)構(gòu)合理。

［1］王良模，吳長(zhǎng)風(fēng)，王晨至.某特種車輛方艙結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（11）.

［2］姜穎資，李培林，王崴，趙兵.緊急制動(dòng)工況下某型削角方艙結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2008.

［3］杜子學(xué)，楊百嶺，桑文波.某特種運(yùn)載方艙車廂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].北京汽車，2012.

［4］GJB2093-94軍用方艙通用試驗(yàn)方法[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)批準(zhǔn)，1994.

［5］池振坤，楊俊智，周強(qiáng)，牟偉杰.基于ANSYS Workbench的大板式方艙模態(tài)分析[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2011(1).

［6］GJB6109-2007軍用方艙通用規(guī)范[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部批準(zhǔn)，2007.

［7］SJ20379-1993 CAF60PD集裝箱方艙規(guī)范[S].中國(guó)人民共和國(guó)電子工業(yè)部批準(zhǔn)，1993.