| 标题 | 大型军用方舱结构设计的有限元研究 |
| 范文 | 张建伟 张宏伟 摘 要：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，尤其是在非標、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。为此，本文在充分掌握方舱概况的基础上，结合具体案例，对大型军用方舱结构设计有限元相关内容进行了分析与探究。 关键词：方舱；结构设计；有限元 1 方舱的概况 方舱是指用各种坚固材料有机的组合在一起，，形成的方便，可移动的整体。本词来自于美军的军事术语，直接来讲就是一个可以活动的"房子"，里面具备先进指挥系统。方舱类似于集装箱，其标准也是参考集装箱标准制定的，根据需求不同，装载不同的设备及装置。与集装箱对比，方舱具有更高的可靠性、电磁兼容性、气密性、隔热性等。由于军事领域的需要，我国机动部队也参照美军进行建设，因此在我国军方出现了方舱。我国大概从上个世纪80年代初开始了方舱的研制工作，最初的方舱为骨架式结构，外形、内饰均受其骨架限制；经过多年的发展，现已具备国际一流技术，均为大板方舱，各个面均为整板，外形美观且可靠性高。目前方舱广泛应用于军民领域，军品主要参考美军进行建制，民品广泛应用于各类特种车辆：应急通信车、电站车、部分房车等。 2 案例分析 某大型军用方舱（以下简称方舱）属非标方舱，长x宽X高为6000Inlnx3lOO mm x 2 1 00 mm（军用标准方舱宽度的最大值为2 438 rnm，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。 3 方舱结构设计要点 3.1 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ZA12一T4，内蒙皮为冷轧钢板Q235A，内、外蒙皮之间为硬质聚氨酷泡沫塑料。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： （1）在每块夹层板内增加圈梁。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。 （2）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。 （3）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。 （4）加大底板和侧板的聚氨酷发泡密度，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。 3.2 方舱的载荷要求 方舱应能够承受5 000kg的载荷。方舱承载后，应满足空中吊运的要求。方舱承载后，应能够承受3根直径为50mm的滚杠匕的支撑和移动。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。 4 方舱结构设计的有限元分析 根据方舱的载荷要求，需要按三种工况进行有限元分析：即平台支撑仁况、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。 4.1 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日的影响忽略不计。 根据方舱的结构特点，结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l种，经过等刚度变换，将复合夹层板等效为巧mm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。 4.2 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2A12一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。 4.3 计算结果及分析 （1）平台支撑工况。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，最大应力值为53.1 MPa，小于材料的屈服强度，在材料的弹性变形范围之内。其最大位移发生在底板上，最大位移量为0.399 mm，变形量很小。 （2）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，整体起吊工况应力图况及变形程度将直接影响到方舱的使用要求。配载后的起吊，其最人应力值为177 MPa，发生在底板的滑撬上，在材料的弹性变形范围之内；而其最大位移为20.5 mm，发生在底板的中心部位，对纵向刚度的要求是纵向挠曲不大于25 mm，因此，该工况最大位移满足电子行业军用标准。 （3）整体滚杠工况。在滚杠过程中，底板的滑橇上产生的应用最大，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致。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。 （4）结论。在以上工况下，位移最大的工况是方舱的起吊工况，最大位移量为20.5 mm，符合相关标准，其余两种工况的位移量都很小；应力最大的工况是方舱的滚杠工况，最大应力值为225 MPa，在材料的弹性变形范围之内，其余两种工况的应力都较小。因此，方舱的结构设计能够满足方舱的强度和刚度的要求。 由此可见，起吊工况、滚杠工况的安全系数偏低，这里未考虑方舱内、外角形件和铸钢角件的加强作用，而且滚杠工况是按2根滚杠计算分析的。该方舱的试验结果表明，其各项性能指标均达到了设计标准，完全符合使用要求，说明本文的有限元分析的结果合理、可信，同时也可为今后同类产品的研制设计提供一定的参考。 5 结束语 综上所述，方舱作为一种通用的设备装载平台，具有较强的机动性和环境适应性，日渐进入到更多的应用领域，因此迫切需要一套科学的理论和分析方法，来指导方舱的研制和生产。论文利用有限元技术对大型军用方舱进行了结构性能研究。基于方舱特殊的环境使用要求，对方舱结构设计要点及有限元的分析，可得出三种工况要求的方舱结构设计基本思路，对提高方舱产品的技术水平具有借鉴意义。 参考文献 [1]王政，王雪丽.军用方舱发展趋势[J]. 现代军事. 2016（05） [2]叶伟，夏磊.军用方舱质量管理机制概述[J]. 农业开发与装备. 2017（02） [3]陈东升. 浅谈军用方舱常用防腐结构设计[J].四川化工. 2011（01） [4]温浩.军用方舱开发研制中可靠性技术的应用[J]. 国防技术基础. 2006（02） [5]温浩，付建军.大型军用方舱结构设计的有限元分析[J]. 专用汽车. 2007（03） |
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