萬峻麟 丁有永 趙德高

中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇南京 210000

某冷卻設(shè)備方艙結(jié)構(gòu)有限元分析

萬峻麟 丁有永 趙德高

中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇南京 210000

冷卻設(shè)備方艙是用于承載雷達(dá)等系統(tǒng)的冷卻設(shè)備。隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，冷卻設(shè)備對(duì)艙體結(jié)構(gòu)具有如下兩點(diǎn)要求：一是冷卻設(shè)備自重大，艙體四周布置了大量的通風(fēng)門窗，艙體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度必須滿足吊裝和運(yùn)輸?shù)裙r要求；二是冷卻設(shè)備中各種大跨度硬管連接精度要求越來越高，作為承載體的方艙必須具有足夠的剛度，避免艙體底板變形過大給冷卻設(shè)備帶來損害。針對(duì)上述要求，在冷卻設(shè)備方艙設(shè)計(jì)時(shí)引進(jìn)有限元分析技術(shù)，通過分析計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［1］。

圖1　設(shè)備布置示意圖

1　某冷卻設(shè)備方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1方艙使用概況

某冷卻設(shè)備方艙的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：6 058×2 438 ×2 438，mm；艙內(nèi)安裝各種冷卻設(shè)備，設(shè)備總質(zhì)量約5 t。設(shè)備布置示意圖如圖1所示。為了滿足冷卻通風(fēng)要求，方艙四周設(shè)置了多扇門窗，如圖2所示。方艙所裝載的主要設(shè)備及自重見表1。

圖2　方艙外形示意圖

方艙滿載吊裝時(shí)，起吊瞬間會(huì)產(chǎn)生過載，艙體所承受的靜載荷最大，工況影響嚴(yán)重。因此，滿載吊裝前應(yīng)校核艙體所受應(yīng)力是否滿足安全使用要求；同時(shí)該工況下艙體底板靜撓度也達(dá)到了最大，應(yīng)保證此時(shí)底板靜撓度變形不會(huì)對(duì)冷卻管路造成破壞，并且艙體的變形也不能對(duì)門窗造成擠壓損害而影響門窗的正常開啟。

1.2方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)方艙的使用要求和方艙現(xiàn)有的成熟工藝，該方艙采用骨架式大板方艙結(jié)構(gòu)，艙體由六塊復(fù)合大板、鑄鋼角件、包邊和滑撬等組裝而成。復(fù)合大板為加筋?yuàn)A層結(jié)構(gòu)，鋼型材焊接骨架，骨架中間填充隔音隔熱的聚氨酯泡沫板，骨架內(nèi)外表面粘接硬質(zhì)鋁合金板作為內(nèi)外蒙皮。為了使艙體具有更好的剛度和強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了如下措施：

表1　方艙主要設(shè)備及質(zhì)量

a. 采用矩形鋼管焊接成艙體大板骨架，保證骨架具有足夠的承載能力；

b. 增加底板高度，底板骨架的縱梁采用截面模量較高的工字鋼，以提高底板的抗彎性能；

c. 使用鋼質(zhì)折彎件作為滑撬，提高底板的抗彎性能；

d. 增強(qiáng)左右側(cè)板縱梁的截面模量，提高艙體的剛度和強(qiáng)度。

方艙大板承載骨架示意圖如圖3所示。

圖3　方艙大板承載?架示意圖

2　方艙結(jié)構(gòu)有限元分析

方艙結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度能否滿足要求需要進(jìn)行驗(yàn)證分析，由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)力以及應(yīng)變的傳統(tǒng)理論計(jì)算存在較大的難度。而使用有限元分析方法可以快速地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，消除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。

2.1方艙結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

2.1.1有限元模型基本假設(shè)

建立方艙有限元模型時(shí)，進(jìn)行如下假設(shè)：

a.方艙大板型材各焊接處簡(jiǎn)化為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不考慮焊接處材料與型材材料的特性異同；

b.鋼型材、鋁蒙皮和聚氨酯泡沫均設(shè)置為線彈性材料，不考慮塑性變形或破壞模式；

c.型材骨架與鋁蒙皮和聚氨酯泡沫間采用膠黏劑粘結(jié)，且膠黏劑固化后具有足夠的強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生脫層、空洞等現(xiàn)象；

d.螺栓、鉚釘?shù)冗B接形式的連接、受力、傳力情況復(fù)雜，需要考慮接觸、擠壓等力傳遞模式進(jìn)行非線性力學(xué)分析，無法逐一進(jìn)行分析，而且局部連接細(xì)節(jié)對(duì)整個(gè)艙體結(jié)構(gòu)影響較小，故忽略了該類型連接的影響；

f.不考慮方艙內(nèi)包邊、隔熱層等對(duì)于整體結(jié)構(gòu)分析的影響，因此分析也偏于保守；

g.不考慮方艙局部孔（走線孔）等對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

2.1.2 有限元建模方法

夾筋式方艙大板具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成。目前對(duì)該類型方艙進(jìn)行有限元建模時(shí)主要有以下幾種方法［2］～［6］：

a.將整個(gè)方艙大板的蒙皮，夾芯以及加強(qiáng)筋等均采用實(shí)體建模的方法。由于蒙皮厚度較薄，為了獲得較精確的結(jié)果，必須將單元?jiǎng)澐值梅浅＜?xì)致，從而導(dǎo)致模型計(jì)算量太大。

b.利用殼單元和梁?jiǎn)卧A筋式復(fù)合板。該方法計(jì)算顯得粗略，同時(shí)忽略了大板的整體力學(xué)性能。

c.將加強(qiáng)筋等效為與其自身同截面尺寸的實(shí)心梁，然后用殼單元?jiǎng)澐置善?，?shí)體單元?jiǎng)澐謯A芯和等效梁。該方法劃分出的單元數(shù)目也顯得較多，同時(shí)在殼單元與實(shí)體單元之間自由度傳遞較為復(fù)雜。

該方艙設(shè)計(jì)在以上幾種方法的基礎(chǔ)上，采用Reissner夾層板理論進(jìn)行分析艙體的結(jié)構(gòu)性能，即把夾層板的表層薄板看成一塊薄膜，可視其只承受平面力，忽略其本身的抗彎能力，夾層僅起抗剪作用。首先將大板加強(qiáng)筋進(jìn)行抗彎等效，然后對(duì)加強(qiáng)筋截面和夾芯截面均采用具有夾層（Sandwich）功能的殼單元shell91進(jìn)行劃分。由此，僅需進(jìn)行相對(duì)較小的計(jì)算量，即可得到相對(duì)精確的數(shù)據(jù)。

方艙大板中的加強(qiáng)筋主要受拉壓和彎曲作用，可視為純彎曲梁。用抗彎等效截面的方法將實(shí)際的加強(qiáng)筋（空心矩形梁和工字梁等）等效為其自身同截面尺寸的實(shí)心梁。等效效果如圖4所示。等效梁的彈性模量為：

圖4　夾筋復(fù)合板的抗彎等效

式中，E1為實(shí)際加強(qiáng)筋的彈性模量；I1和I2分別為實(shí)際加強(qiáng)筋和等效梁的截面慣性矩。

對(duì)于從底部吊裝的方艙來講，其底板承載了方艙的全部載荷。底板加強(qiáng)筋作為底板主要承力結(jié)構(gòu)，其所承受應(yīng)力應(yīng)滿足材料許用要求。因此實(shí)際底板加強(qiáng)筋所受正應(yīng)力為：

式中，σ2為等效梁的最大正應(yīng)力；W1和W2分別為實(shí)際加強(qiáng)筋和等效梁的抗彎截面系數(shù)。

2.2有限元模型的分析計(jì)算

2.2.1有限元模型網(wǎng)格劃分

在有限元分析軟件中建立艙體有限元概念模型。根據(jù)艙體模型大小以及艙板厚度，取單元大小為20 mm。利用shell91單元對(duì)艙板進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，得到單元數(shù)目為287 367，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為648 666。

2.2.2材料參數(shù)

方艙中使用的材料屬性如下表2所示。

表2　材料屬性

2.2.3邊界條件及載荷布置

以方艙從底角件吊裝為分析工況，對(duì)艙體的剛強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。分析時(shí)對(duì)艙體底板四個(gè)角件處的豎直方向位移進(jìn)行約束［7］～［8］。艙體所受載荷主要為各子設(shè)備的自重。

2.2.4邊界條件及載荷布置

在有限元分析軟件中，對(duì)上述模型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5、6所示。

圖5　方艙應(yīng)力云圖

圖6　方艙位移云圖

由應(yīng)力云圖知，艙體底板等效梁最大應(yīng)力約為90 MPa，根據(jù)2.1.2中公式（2）得到，底板骨架型材最大應(yīng)力約為12 MPa，滿足方艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。由位移云圖知，艙體底板最大靜撓度為6.06 mm，保守計(jì)算下滿足設(shè)計(jì)要求的底板變形不超過mm的要求。

3　方艙加載試驗(yàn)和底板靜撓度試驗(yàn)

當(dāng)方艙制造完成后，對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)和底板靜撓度試驗(yàn)，分別檢驗(yàn)艙體的強(qiáng)度和剛度性能，試驗(yàn)如圖7和圖8所示。加載試驗(yàn)中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QJ 2575-93的要求，在艙體底板上施加的載荷為實(shí)際設(shè)備重力載荷的1.5倍，以此模擬起吊時(shí)的瞬間過載情形。吊裝10 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(yàn)證明艙體強(qiáng)度滿足使用要求。

靜撓度試驗(yàn)測(cè)量在吊裝狀態(tài)下方艙底板靜撓度變形，得到的艙體實(shí)際變形為5.6 mm。實(shí)際測(cè)得靜撓度與仿真計(jì)算出的靜撓度變形比較接近，可見該有限元計(jì)算方法具有一定的精確性。

圖7　方艙吊裝加載試驗(yàn)

4　結(jié)語

綜上所述，在吊裝狀態(tài)下，方艙底板最大位移符合冷卻設(shè)備的使用要求；最大應(yīng)力在型材的彈性極限范圍內(nèi)，且經(jīng)過加載試驗(yàn)，因此該方艙的設(shè)計(jì)滿足設(shè)備使用剛度和強(qiáng)度要求。方艙的試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)采用的有限元分析方法得出的結(jié)果合理可信，為同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

圖8　方艙吊裝加載試驗(yàn)

［1］ 溫浩，史國宏.大型軍用方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元分析［J］.專用汽車，2007（3）.

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Finite Elements Analysis of A Cooling Equipment Cabinet

WANJun-linetal

論述了某冷卻設(shè)備方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)用等效方法建立艙體結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)在特定工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出其應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，確保方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度的指標(biāo)要求。

冷卻設(shè)備方艙 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有限元 分析

the structural design of a cooling equipment shelter was discussed in this paper， using an equivalent method to build the finite element model of the shelter. Structure in specific conditions is undergone static analyze to acquire stress and strained condition， ensuring that the shelter design to meet the stiffness and strength requirements.

cooling equipment shelter； structural design； finite element；analysis

U469.6+93.02

A

1004-0226（2016）03-0090-04

萬峻麟，男，1983年生，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事指揮信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)研究。

2016-01-31