防護密閉裝置門扇結構分析

摘 要：門扇作為防護密閉裝置的直接受力構件，影響著防護密閉裝置的防護效果和使用。通過對大型鋼結構門扇制作的分析，采用有限元分析方法并借助大型有限元分析軟件ANSYS，分析門扇的應力分布并計算各點位移，進而對門扇梁架結構設計方案進行探討，在得出合理的梁架結構設計方案后，通過改變梁架截面尺寸和面板厚度，了解其對門扇的最大彎曲應力和抗彎效果的影響，最終得出合理的門扇制作模型，在保證門扇結構強度的同時優(yōu)化了門扇質量和尺寸，確保門扇結構的安全性和制造的經濟，也為同類型的門扇設計提供理論基礎。

關鍵詞：防護密閉裝置；門扇；優(yōu)化；有限元分析；ANSYS

中圖分類號：TU228文獻標識碼：A文章編號：1672-1098(2008)01-0030-04

收稿日期：2007-05-30

作者簡介：方林中（1972-），男，安徽池州人，講師，在讀博士，主要從事機電一體化技術（機器人應用）專業(yè)教學工作。

Analysis of Protective Obturators Valve Structure

FANG Lin-zhong

（Shanghai Technical Institute of Electronics and Information, Shanghai 200214, China)

Abstract:As protective obturators component directly bearing forces, a valves performance directly affects protection effect and use of a protective obturator. Based on the analysis of large steel valves construction, distribution of stress in a valve was analyzed by finite element analysis software ANSYS and displacement at different points in the valve was calculated. Solutions of valves girder contracture design were discussed. On the basis of reasonable girder structure design solution, influence of girder section size and panel thickness change on valves maximum bending stress and bending effect was studied. Finally the reasonable valves model was found, which ensures valves structure strength, optimizing valves mass and dimension. The study makes valves structure safe and economic construction. It provides theoretic basis for the same kind of valve design.

Key words:protective obstructors valve; vavle; optimization; finite element analysis; ANSYS

人防工程需要在進出口處設置能承受雙向沖擊波載荷的防護密閉裝置?，F代防護密閉裝置通常采用全鋼制作，體積和質量都很大，而門扇作為防護密閉裝置的直接受力構件，需要在惡劣環(huán)境下承受高強度的沖擊載荷，怎樣在保證門扇工作可靠性和結構強度的同時，盡量減少門扇體積和質量、降低制作成本？ 本文采用有限元分析方法，對門扇梁架結構設計方案進行了探討。

1防護密閉裝置門扇設計

1.1 門扇制作分析

鋼結構是防護密閉裝置主要結構型式之一，在目前防護工程中應用十分廣泛。常用的有梁板門和拱形門兩種基本類型，考慮到加工方便和正反受力情況良好，梁板門應用最為廣泛。為了使門扇能承受內、外兩側的載荷，同時減輕門扇的總體質量，門扇梁架可用工字鋼焊接而成，內、外再各焊接一定厚度的面板。這種結構的防護密閉裝置適用于跨度較大而抗力較低的大、中型防護裝置，制作時可將梁、板分開制作，然后再進行裝配。

門扇梁架一般用工字鋼加工，制成井字梁系（見圖2），梁系四周再焊接槽鋼成一整體。制作時，梁系宜設置主、次梁，主梁受力大，不宜切斷，次梁可切斷焊接在主梁上。為使梁受力均勻，減小門扇厚度，主、次梁采用齊平連接，即水平次梁與主梁的上翼緣表面齊平，都直接與面板相連。其優(yōu)點是：井字梁與面板形成剛性的整體，面板為四邊支承，受力條件好；可以把部分面板作為梁截面的一部分，以減少井字梁的用鋼量。井字梁梁系在平面上宜做成正方形，如必須做成長方形，則其長短邊之比不宜大于1∶5。一般情況下這種井字梁系梁板門宜做成單扇，如做成雙扇，可在自由邊增加大梁，以保證其有足夠的剛度。

1.2 門扇參數

某防護密閉裝置門框內環(huán)尺寸：門洞高獺=5 000 mm，門洞寬玏=6 000 mm；采用雙扇門，正、反面受載時，門的上、下兩邊與門框接觸，門的一側和門框相接觸，另一測是門扇和門扇接觸，即三面簡支（見圖1）。

1.3 門扇梁架設計方案

防護密閉裝置門扇主要承受珃向沖擊載荷，為提高z向的抗彎強度，門扇采用梁板門結構， 全部采用鋼結構， 梁格為井字分布， 梁架采用工字鋼，梁格周邊為槽鋼，與門洞形狀相匹配，骨架內外各焊接一塊面板，以承受內外兩側的載荷，同時減輕門的總體質量（見圖1）。工字鋼、槽鋼、面板的材料均選用抗沖擊能力較強的16號錳鋼［1］(見表1)。

圖1 某防護密閉裝置門扇

表1 16號錳鋼有關力學參數

彈性模量

獷/(N?m-2)密度

ρ/(kg?m-3)泊松比

μ許用應力

［σ］/MPa屈服點

［σ璼］/MPa2.06×10117 9000.3240345

在滿足門扇強度和變形要求的情況下，為了減少門扇的質量和尺寸，得到合理、優(yōu)化的門扇制作方案，降低門扇制作成本，提出了以下三種門扇梁架設計方案（見圖2）。梁架采用40 c工字鋼制作，再焊接20 mm厚面板，借助大型有限元分析軟件ANSYS對其應力和變形進行分析，以便得到梁架制作方案。

圖2 防護密閉裝置結構模型

2 基于ANSYS的門扇有限元分析

ANSYS已發(fā)展為融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。提供了更豐富的單元庫： 前置處理和后處理模塊，具有更友好的人機交換界面。利用ANSYS的內嵌式編程語言APDL（Parametrical Design Language）進行有限元模型的建立、求解及后處理； 并方便地對結構的單元類型、幾何拓撲、材料屬性、邊界條件及求解類型等信息進行參數化修改。

2.1 門扇有限元模型的建立

建立結構簡單更有效的有限元分析模型是一門藝術，它遵循一般的力學原理，并包含一定經驗成分。對于防護密閉門扇裝置而言，單元類型，邊界條件及載荷形式都是影響有限元分析結果可靠性的重要因素。

在分析中，選取具有一定非線性特性的Beam188梁單元來構建門扇梁架的有限元模型，以便準確地描述結構的大應變大變形。作為梁單元，可直接利用ANSYS的PREP7前處理器來定義梁的截面形狀，并自動計算截面的慣性矩，慣性半徑等參數，從而使建模過程大大簡化。

2.1.1 梁架截面有限元模型 縱向5 000 mm跨度的梁為主梁，兩端簡支(見圖3)；橫向玠為工字鋼腰厚；玹0為工字鋼平均腿厚；3 000 mm跨度的梁為次梁， 支撐在縱向梁上。 縱、橫玝為工字鋼翼緣寬；玥為工字鋼高度，向梁的連接形式為固接。由于面板被焊接在工字梁上，玹1為面板厚度；獴為門扇折算翼緣寬度?？砂衙姘蹇闯晒ぷ咒撘砭壍囊徊糠郑ㄒ妶D3）建立工字梁截面模型。

圖3 梁單元橫截面2.1.2 梁架有限元模型幾何約束 縱向5 000 mm跨度的主梁，上下兩端與門框接觸，沿玓方向的平動及繞y、z方向的轉動自由度均被限制，同時，主梁下端（y=0）沿x、y方向的平動自由度也被約束。而橫向3 000 mm跨度的梁兩端均不與門框接觸，呈自由狀態(tài)。

2.1.3 梁架有限元模型載荷約束 按照防護密閉裝置戰(zhàn)術、技術設計規(guī)范， 對航、炮彈等爆炸沖擊波， 梁架承受載荷可按突加性線性衰減載荷考慮。 于防護密閉裝置而言， 其面板承受的等效載荷為0.6 MPa的均布面載荷，整個面板承受的載荷全部傳遞到工字鋼構成的梁架上，經計算，梁的均布線載荷為1.875×105Nm（方案1）、1.915×105Nm（方案2）、1.957×105Nm（方案3）。

圖4 梁架有限元模型2.2 門扇設計與優(yōu)化

比較方案1~方案3(見表2)：保持工字鋼型號（40 c）和面板厚度(mm)不變，結構1質量最大，最大應力和最大變形也最大；方案2和方案3相比，在體積和質量增加不多的情況下，最大應力和最大變形卻要小很多。綜合比較，門扇梁架三種設計方案中，方案2的設計較為合理。

表2 門扇梁架三種結構設計計算結果

方案主梁數

/個次梁數

/個最大應力

/MPa最大靜變形

/mm質量

/t1311349239.6624921814.49.58357254179.51

選取設計方案2，門扇梁架采用4根主梁，9根次梁。再改變工字鋼型號和面板厚度，力求得到更為合理的門扇設計模型（見表3）。

表3 門扇應力、變形有限元計算結果(獴=2.5 b)

工況工字鋼

型號面板厚度

/mm最大應力

/MPa最大靜變形

/mm質量

/t140 c1526517.58.42240 c1823515.59.12340 c2021814.49.59436 c2025818.58.83

比較工況1~工況3：保持工字鋼型號（40 c）不變，面板厚度玹1由15 mm增加為18 mm和20 mm時，門扇的最大正應力迅速地由265 MPa，降低為235 MPa和218 MPa ，呈非線性下降趨勢。最大變形也有明顯下降，表明門扇的承載能力顯著增加。因為工字鋼邊緣處材料的增加可大大提高梁的慣性矩，在載荷不變的情況下降低了梁內的正應力?？梢姡姘宀粌H起到一定的密封效果，對提高門扇的抗彎強度亦有很大作用（見圖5~圖6）。

圖5 門扇梁架應力、變形示意圖

圖6 門扇面板應力、變形示意圖

工字鋼由40 c變?yōu)?6 c，工字鋼厚度由15 mm增加到20 mm時，最大應力和最大變形無明顯變化，而面板厚度則由430 mm 降低為400 mm，質量無明顯變化。 按設計規(guī)范，抗力不大的大中型防護密閉裝置門扇允許其最大應力σ處于容許應力（［σ］=240 MPa）與屈服極限之間。為減少門扇尺寸、質量及施工量，在保證門扇強度的前提下，選取第四種梁板組合結構： 門扇梁架采用4根主梁， 9根次梁，采用36c工字鋼，兩面焊接20 mm厚鋼板。

3 結論

在人防工程防護密閉裝置門扇設計中，利用大型有限元分析軟件ANSYS對門扇進行應力、變形計算分析，得出了梁架結構、梁架截面大小以及面板厚度和門扇強度、變形之間的關系，從而確定了梁架制作方案和梁架工字鋼型號以及面板厚度，得到較為合理的門扇設計方案，在保證結構強度的同時降低了門扇的自重（減小約0.8t）和尺寸（厚度減少30 mm）。

參考文獻：

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(責任編輯：何學華)