文_呂路 章琦 王新

特種方艙及承載平臺結(jié)構(gòu)有限元分析(1例)

文_呂路 章琦 王新

由于方艙結(jié)構(gòu)的特殊性，在初始設(shè)計階段對它進(jìn)行試制和實驗費用較高。為了研究某特種重載方艙的靜力學(xué)特性，運用ANSYS有限元分析軟件建立了方艙及其承載平臺的整體結(jié)構(gòu)等效有限元模型，并對艙體及其承載平臺結(jié)構(gòu)在特定工況下進(jìn)行靜力學(xué)模擬計算，得出其應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。結(jié)果表明，該重載及其承載平臺方艙最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，且最大變形也完全符合要求，為同類方艙設(shè)計提供參考。

由于特種方艙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且此類方艙在使用過程中所處的環(huán)境要求也比較復(fù)雜，因此在研制階段很難計算方艙的受力狀態(tài)，而這一點在方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計階段顯得至關(guān)重要。該特種方艙額定載荷非常大，且艙體四周及斜頂板上布置了大量通風(fēng)門窗，同時艙體的設(shè)計剛強(qiáng)度必須滿足吊裝及運輸?shù)囊?。因此針對此種特種重載方艙，利用有限元建模分析，通過分析得出設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性及可靠性就顯得尤為重要。

1 方艙及承載平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 方艙基本要求

方艙和車輛改造是為車載特種設(shè)備提供安裝和運輸平臺，方艙通過方艙旋鎖固定于承載平臺上，承載平臺與越野車輛為剛性連接固定，方艙既是車載特種設(shè)備的保護(hù)體也是其運輸承載體(見圖1)。該方艙外形尺寸為8 058 mm×2 438 mm×2 080 mm(見圖2)，方艙艙體質(zhì)量≤4 000 kg，方艙的額定裝載質(zhì)量為10 500 kg，承載平臺自質(zhì)量≤1 600 kg。為了滿足冷卻通風(fēng)要求，方艙四周及斜頂板上設(shè)置了多扇門窗。

1.2 方艙骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計

艙體為削角異形大板方艙，艙體骨架分為前壁骨架、后壁骨架、左壁骨架、右壁骨架、頂壁骨架和底架等幾大片(見圖3)，除頂壁骨架采用60 mm×4 mm和40 mm×4 mm方鋼管組焊成片，底壁骨架采用120 mm×60 mm×6 mm、80 mm×60 mm×6 mm的矩形鋼管和60 mm×4 mm方鋼管組焊成片外，其他骨架均采用80 mm×60 mm×6 mm的矩形鋼管和60 mm×4 mm的方鋼管組焊成片。拼艙時，將6只骨架按尺寸搭接好后，在其搭接處用彎角焊接牢固，再用內(nèi)、外角鋁在艙內(nèi)外縫隙處帶膠鉚接。底架為整艙的主要預(yù)埋件集中區(qū)同時又是承載與吊裝時的主要受力單元，因此將底壁設(shè)計為110 mm厚，且在方艙長度方向設(shè)置4根通長的縱梁。在方艙底面還布置有2組承重滑橇，滑撬與方艙底框做成一體，一方面減小方艙與底面的接觸面積，另一方面也是對方艙底壁的進(jìn)一步加強(qiáng)。底架是車載特種設(shè)備安裝緊固件最集中的區(qū)域，所有預(yù)埋件都通過小梁或彎角件與主要受力的縱梁或橫梁相連以保證設(shè)備安裝后的承載能力。

1.3 承載平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

承載平臺是方艙與汽車底盤間的過渡載體，既要承載來自方艙的的重量，也需考慮其與底盤接口的匹配性。裝載平臺由平臺底架與花紋鋁板等組成。平臺底架由鋼板折彎成各種構(gòu)件后組焊而成(見圖4)。裝載平臺上平面為方艙安裝固定面，裝載平臺尾部為艙內(nèi)特種設(shè)備水管絞盤安裝空間，運輸平臺下部為汽車擋泥板、土木工具箱、活動車梯等安裝空間。

表1 方艙骨架采用矩形鋼管和方形鋼管的材料屬性

表2 承載平臺骨架采用槽鋼和方形鋼管材料屬性

2 方艙及承載平臺結(jié)構(gòu)有限元分析

在進(jìn)行方艙設(shè)計時，必須考慮其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時在滿足方艙裝載要求下，盡可能降低成本，減輕自質(zhì)量，設(shè)計出高性能的方艙。此外，由于方艙結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計和研制過程中樣機(jī)試驗難以進(jìn)行，且費用較高。通過有限元分析軟件進(jìn)行模擬和仿真能優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，降低成本和縮短研發(fā)周期。

2.1 方艙及承載平臺結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

方艙及承載平臺的幾何模型是從實際方艙及承載平臺結(jié)構(gòu)中抽象得來的，并不是完全按照方艙及承載平臺的實際形狀，而是根據(jù)其結(jié)構(gòu)的某些特征對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的變化、簡化和處理，以提高有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本文分析的方艙及承載平臺模型也是對實際形狀進(jìn)行一定處理簡化后所得出的。

建立方艙有限元模型時，進(jìn)行了如下假設(shè)。

(1)不考慮方艙骨架焊接處材料特性的變化，焊接處的材料特性與相鄰結(jié)構(gòu)件的材料性能相同；

(2)鋼骨架為線彈性材料；

(3)各結(jié)構(gòu)接觸面之間具有足夠的粘接強(qiáng)度，各接觸處不會發(fā)生脫粘；

(4)方艙骨架及承載平臺的變形為小變形；

(5)為降低計算分析的復(fù)雜度，未考慮防滑鋪板對承載平臺整體結(jié)構(gòu)的影響，因此分析是偏于保守的。

本文僅分析方艙骨架及承載平臺骨架的靜力學(xué)特性，因此采用殼單元和梁單元來建立有限元模型，承載平臺模型的建立方法同理。

2.2 方艙有限元模型的分析計算

本例分析主要考慮艙體骨架在受重力以及各設(shè)備載荷下的靜力學(xué)特性，因此分析模式為Static。

艙體各個大板之間通過焊接、鉚接和螺栓連接等方法形成一體，因此在有限元模型中，處理各個大板之間的結(jié)合面是很重要的環(huán)節(jié)。在艙體框架模型中利用Workbench自帶的接觸識別對各型材之間的接觸面進(jìn)行定義，接觸類型為Bonded。Bonded法即綁定各零部件接合面焊接處節(jié)點自由度，法向不分離，切向不允許滑移，耦合接觸節(jié)點的自由度。

2.2.1 方艙有限元模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)艙體模型大小以及網(wǎng)格規(guī)模，對模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置和有限元網(wǎng)格劃分。劃分時全部采用3D實體單元，得到單元數(shù)目為41萬7 157個，節(jié)點數(shù)目為91萬1 125個。

2.2.2 材料參數(shù)

方艙骨架采用矩形鋼管和方形鋼管焊接而成，材料屬性見表1所示。

2.2.3 靜力學(xué)分析

本例分析時分2種工況：吊裝狀態(tài)和落地狀態(tài)，對艙體的剛強(qiáng)度進(jìn)行校核計算。吊裝狀態(tài)分析時對艙體底板4個角件處的豎直方向位移進(jìn)行約束；落地狀態(tài)下對艙體滑撬豎直方向位移進(jìn)行約束。

在Workbench平臺中，對上述模型進(jìn)行分析計算，吊裝狀態(tài)下對應(yīng)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖5、6所示，落地狀態(tài)下對應(yīng)的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖7、8所示。

吊裝工況下，最大應(yīng)力(219.87 MPa)出現(xiàn)在角件附近，是個應(yīng)力奇異點；角件附近局部最大應(yīng)力約為150 MPa，可在角件與梁的連接處加強(qiáng)焊縫或者布置加強(qiáng)筋增加系統(tǒng)剛強(qiáng)度，最大位移(7.24 mm)出現(xiàn)在底板中部。

落地狀態(tài)下，最大應(yīng)力(128.62 MPa)出現(xiàn)在后端板絞盤安裝位置附近；最大位移(1.31 mm)出現(xiàn)在頂板中部。

從靜力分析計算結(jié)果來看，艙體骨架鋼材最大應(yīng)力約為150 MPa(材料Q235，屈服極限235 MPa)，參照1.3倍安全系數(shù)，該骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計完全滿足承載條件下的使用要求；艙體骨架最大靜饒度為7.24 mm，保守估算下滿足設(shè)計中地板變形不超過10 mm的要求。

2.3 承載平臺有限元模型的分析計算2.3.1 承載平臺有限元模型網(wǎng)格劃分

對模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置和有限元網(wǎng)格劃分。劃分時全部采用3D實體單元。其中模型單元數(shù)33萬7 778個，節(jié)點數(shù)68萬394個。

2.3.2 材料參數(shù)

承載平臺骨架采用槽鋼和方形鋼管焊接而成，材料屬性見表2所示。

2.3.3 靜力學(xué)分析

本次分析主要考慮平臺框架在受重力以及整艙壓載下的靜力學(xué)特性。因此分析模式為Static。

在平臺框架模型中利用Workbench自帶的接觸識別對各型材之間的接觸面進(jìn)行定義，接觸類型為Bonded。Bonded法即綁定各零部件接合面焊接處節(jié)點自由度，法向不分離，切向不允許滑移，耦合接觸節(jié)點的自由度。

分析時約束平臺框架底面與載車大梁接觸面豎直方向的位移。載荷按照整艙及設(shè)備總質(zhì)量的1.5倍進(jìn)行加載，即加載24 t。

承載平臺應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖見圖9、10所示。

由圖9、10得知，最大應(yīng)力為150.37 MPa，最大位移1 mm。承載平臺材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa。因此，整個平臺框架安全系數(shù)為1.56，符合設(shè)計要求。

3 方艙吊裝和底板靜撓度試驗

該特種方艙制造完成后，進(jìn)行了吊裝和底板靜撓度試驗，分別檢驗方艙艙體的強(qiáng)度和剛度性能，試驗見圖11、12。加載試驗中，艙體底板上施加的載荷為實際方艙額定載荷的1.5倍，以模擬起吊時的瞬間過載情形。吊裝15 min后，沒有出現(xiàn)艙門打不開以及密封件或密封部位開裂脫落等現(xiàn)象。試驗證明艙體強(qiáng)度滿足使用要求。

靜撓度試驗測量在吊裝狀態(tài)下方艙底板靜撓度變形，得到的艙體實際最大變形為7 mm。實際測得靜撓度與有限元模擬仿真計算出的靜撓度變形比較接近，可見該有限元計算方法具有一定的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

綜上所述，在吊裝狀態(tài)及落地狀態(tài)2種工況下，方艙骨架最大位移均符合方艙的設(shè)計要求；方艙骨架的最大應(yīng)力為150 MPa，小于Q235鋼型材的屈服極限。隨后的靜擾度及吊裝試驗結(jié)果也符合方艙設(shè)計要求，因此方艙的設(shè)計滿足設(shè)備使用強(qiáng)度和剛度要求。同時在加載額定載荷1.5倍的工況下，承載平臺的最大應(yīng)力和最大變形量均符合設(shè)計要求，因此承載平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足承載方艙及艙內(nèi)設(shè)備的強(qiáng)度和剛度的要求。

該研究為有限元方法在方艙設(shè)計中的強(qiáng)度校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計的運用提供了一定的參考。

(注：本文第一與第二作者單位系中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，第三作者單位系中國人民解放軍91202部隊34分隊。)

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