復(fù)合大板高溫力學(xué)性能分析研究

張旭　朱正龍　汪玉蘭　朱凱

【摘 要】復(fù)合大板式方艙由數(shù)塊復(fù)合夾芯板搭接而成的承載結(jié)構(gòu)，野外作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)其研究發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力是引起方艙脫粘、鼓包主要原因，運(yùn)用有限元分析復(fù)合大板的彎曲變形和應(yīng)力分布情況，根據(jù)力學(xué)性能分布情況，后續(xù)采用參數(shù)優(yōu)化方法降低蒙皮與鋼架間膨脹量不同帶來的熱應(yīng)力。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合大板；有限元；熱應(yīng)力；脫粘

0 引言

方艙是指能對(duì)工作人員和設(shè)備提供適宜的工作環(huán)境，同時(shí)便于實(shí)施多種方式裝卸和運(yùn)輸?shù)墓ぷ鏖g，由數(shù)塊復(fù)合夾芯板搭接而成如下圖1所示，復(fù)合夾芯板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)的材料屬性差異較大，載荷工況復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鼓包和脫粘現(xiàn)象，盡管這種現(xiàn)象很少出現(xiàn)，但出現(xiàn)后修復(fù)非常麻煩，同時(shí)影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀。通過相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，方艙的鼓包、脫粘問題是一個(gè)行業(yè)性難題，分析方艙鼓包、脫粘產(chǎn)生的原因找出解決辦法，對(duì)方艙質(zhì)量的提高是必要的[1]。

1 方艙大板有限元模型

1.1 復(fù)合大板結(jié)構(gòu)

復(fù)合大板是由兩層蒙皮、泡沫、加強(qiáng)梁方鋼和隔熱木條組成，類似“三明治”結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2。蒙皮厚度為1.5mm，材料為鋁合金或結(jié)構(gòu)鋼；聚氨酯泡沫厚度50mm，加強(qiáng)梁采用截面為40mm×40mm的結(jié)構(gòu)方鋼；隔熱層為截面為40mm×10mm的椴木條，外蒙皮主要承受彎曲變形引起的正應(yīng)力，芯材主要承受剪應(yīng)力，需要有一定的剛度和強(qiáng)度及抗剪切性能，并由芯材來穩(wěn)定蒙皮。復(fù)合大板與其內(nèi)骨架之間通過聚氨酯發(fā)泡材料粘接相連，以承受大板間的軸向載荷和橫向剪力；膠粘劑能將剪力傳到夾芯，再由夾芯傳到內(nèi)蒙皮。各板采用粘接和鉚接相結(jié)合的方法，形成高強(qiáng)度、低重量、保溫性好、密閉性能優(yōu)良的方艙。

1.2 復(fù)合大板有限元分析的若干假設(shè)

方艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完整建立整艙結(jié)構(gòu)模型并不現(xiàn)實(shí)，需對(duì)艙體做適當(dāng)簡化，不考慮方艙骨架焊接處材料特性變化，將材料焊接處的特性和相鄰結(jié)構(gòu)件的材料特性視為一樣；蒙皮與夾芯均假設(shè)為線彈性材料；方艙變形為小變形；蒙皮與聚氨酯泡沫接觸面粘接牢固且無相對(duì)滑動(dòng)有相同的變形；復(fù)合大板等厚度，且厚度符合薄板理論假設(shè)；各結(jié)構(gòu)接觸面之間具有足夠的粘接強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生脫粘現(xiàn)象；螺栓、鉚釘?shù)倪B接、受力、傳力很復(fù)雜需要進(jìn)行接觸，擠壓等非線性求解此處忽略。

1.3 復(fù)合大板有限元建模方案的研究

方艙的主要結(jié)構(gòu)件如鋼架、蒙皮，都是薄壁件，可以簡化成殼單元，也可以處理成實(shí)體單元，有以下四種建模方案：實(shí)體單元建模、殼單元和梁單元建模全部采用殼單元建模、殼單元和實(shí)體單元建模，馬永斌[2]等人采用實(shí)體單元建模，分析了FRP特種航空集裝箱，由于蒙皮和加強(qiáng)筋壁均屬于薄壁件，采用實(shí)體建模的有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)必然存在單元形狀差問題；若細(xì)化滿足了單元形狀的要求，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)模型太大，對(duì)硬件要求高，計(jì)算量大等問題。姜勇[3]在文獻(xiàn)廂式車車廂板件蒙皮的優(yōu)化設(shè)計(jì)中利用殼單元和梁單元對(duì)加強(qiáng)筋?yuàn)A芯復(fù)合板進(jìn)行建模，對(duì)于四米軍用方艙的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析，采用殼單元和梁單元法與夾芯復(fù)合板的實(shí)際承載能力不相符。李敏堂[4]利用和復(fù)合板厚度一致的實(shí)心矩形梁來代替加強(qiáng)筋，全部采用殼單元建模，用殼單元對(duì)實(shí)心矩形梁和夾芯部分進(jìn)行劃分?；谇叭藢?duì)方艙艙體的有限元建模方案大量的研究，經(jīng)過對(duì)比建模方案和試算結(jié)果的比較，蒙皮、椴木、夾芯等用實(shí)體單元模擬，鋼架用殼單元模擬的方案，最終確定采用殼單元和實(shí)體單元相結(jié)合的建模方案。

2 復(fù)合大板的變形和應(yīng)力分析

2.1 復(fù)合大板有限元的前處理

基于復(fù)合大板的實(shí)體幾何模型和基本假設(shè)建立有限元模型。建模時(shí)加強(qiáng)梁方鋼和角件采用四邊形殼單元Shell63，其它部分均采用六面體實(shí)體單元Solid45，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分33072個(gè)結(jié)點(diǎn)，26775個(gè)單元。

按照國軍用標(biāo)GJB2093 -94《軍用方艙通用試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大板的不同材料的材料屬性如表1所示，大板在粘接、發(fā)泡時(shí)的環(huán)境溫度為45℃，模型中假定大板在45℃時(shí)平整且無內(nèi)應(yīng)力。將平整的大板試樣放入低溫實(shí)驗(yàn)室，溫度降低至-55℃，橫溫后移至室外測量大板的變形量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果測到大板的翹曲變形量為40mm?？紤]到大板移至室外時(shí)間短，變形量受室外環(huán)境溫度影響不大，認(rèn)為40mm變形量即為-55℃是大板的變形量，根據(jù)前面建立的分析所用的復(fù)合大板有限元模型，加載同樣的溫度載荷，即考慮重力和溫度載荷的影響計(jì)算大板的變形和應(yīng)力，同樣的在相同的約束條件下，對(duì)比僅加載重力載荷計(jì)算大板的變形和應(yīng)力。

表1 復(fù)合大板不同材料的材料屬性

2.2 復(fù)合大板的有限元分析

大板由于溫度降低，鋁蒙皮收縮量比鋼架和鋼蒙皮大，大板的變形趨勢(shì)是中部向鋼蒙皮（內(nèi)蒙皮）一側(cè)凸出，四邊向鋁蒙皮（外蒙皮）一側(cè)翹起，鋼蒙皮中部與地面接觸。通過試算結(jié)果表明，在鋼蒙皮中部施加位移約束與鋼蒙皮和地面之間建立接觸單元進(jìn)行接觸分析的結(jié)果相同，為減少計(jì)算量，大板模型采用在鋼蒙皮中部施加固定的位移約束。

圖3是復(fù)合大板的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，變形計(jì)入了溫度和重力的影響，最大變形達(dá)到了41.39mm，最高應(yīng)力達(dá)到了158MPa。考慮到計(jì)算模型中未考慮膠粘劑和工藝缺陷等方面的影響因素，計(jì)算模型的剛性應(yīng)高于實(shí)際結(jié)構(gòu)剛性，經(jīng)簡化后的模型，其計(jì)算結(jié)果應(yīng)與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上一致，在數(shù)值上較接近，可認(rèn)為計(jì)算模型以及表1中材料參數(shù)合理性。圖4是復(fù)合大板在自重作用下的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，最大變形達(dá)到了14.99mm，最高應(yīng)力達(dá)到了57.8MPa，分別是前面考慮溫度與重力共同作用時(shí)的63.42%和63.79%，變形的趨勢(shì)與考慮溫度時(shí)的趨勢(shì)也是相反的，同時(shí)于戰(zhàn)國[5]在研究廂體車頂板受光照作用時(shí)，頂板的彎曲主要受熱載荷的影響，和本文分析結(jié)果一致，說明結(jié)構(gòu)變形增大和應(yīng)力升高的主要影響因素是溫度。

3 結(jié)論

在溫度場和重力場載荷下對(duì)大板式方艙變形的影響研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力是引起方艙大板鼓包、脫粘的主要原因，但又不足以引起艙體大板的塑性變形，后續(xù)研究工作中考慮基于ANSYS平臺(tái)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化工具，從設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)合理的鋼架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減小蒙皮與鋼架間膨脹量不同帶來的熱應(yīng)力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳麗華.復(fù)合大板材料在軍用醫(yī)療方艙中的應(yīng)用研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2003：7-13.

[2]馬永斌，邱平，楊靜寧，常春偉.FRP特種航空集裝箱夾層板力學(xué)行為分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，03：21-24.

[3]姜勇.廂式車車廂板件蒙皮的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海汽車，2003，05：19-20+37.

[4]李敏堂.夾芯復(fù)合大板車廂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的應(yīng)用研究[D].天津：軍事交通學(xué)院，2003，5.

[5]于戰(zhàn)果，李敏堂，邢偉.廂式車車廂頂板的熱彎曲分析[J].專用汽車，2002，04：6-7+40.

[責(zé)任編輯：湯靜]