大型試驗方艙結(jié)構(gòu)有限元分析

周世新

(中國電子科技集團公司第十四研究所，南京 210039)

0 引言

方艙是一個特殊的空間。在工程搶險、管道維修、醫(yī)療保障、生活儲備、供電和軍隊作戰(zhàn)等特殊環(huán)境下，方艙以其靈活的轉(zhuǎn)移性、可靠的電磁兼容性、良好的氣密性和保溫性等特點在國民經(jīng)濟各重要領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。方艙的結(jié)構(gòu)大致分為骨架式和大板式[2]。由于方艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜——它是由蒙皮、骨架和聚氨酯泡沫夾層等組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且方艙在使用過程中所處的環(huán)境要求也較為復(fù)雜，因此在研制階段采用傳統(tǒng)方式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。

隨著電子計算機的迅猛發(fā)展，有限元分析技術(shù)在軍用方艙的設(shè)計，尤其是在非標、異性、擴展等方艙的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方面得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的成效[3-6]。

本文針對某大型方艙的結(jié)構(gòu)模型，利用專業(yè)的前處理程序 Hypermesh建立有限元分析模型，包括有限元網(wǎng)格的劃分，單元類型的選擇、厚度和材料參數(shù)的定義，然后通過 Hypermesh軟件的接口直接輸出為ANSYS的 db文件，在 ANSYS軟件中進行邊界條件和載荷的施加。數(shù)值分析過程及后處理在有限元軟件ANSYS-v11中完成。

1 方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計及載荷要求

根據(jù)方艙的自重要求，結(jié)合工廠生產(chǎn)工藝裝備的特點，方艙采用骨架式結(jié)構(gòu)，分為底座和艙室（上下兩層），其骨架見圖1(a)，外觀結(jié)構(gòu)見圖1(b)。方艙底座采用Q345B，內(nèi)外蒙皮為雙層各0.5 mm厚彩鋼板，骨架采用Q235B。要求艙體在強風(fēng)、搖擺時工作剛強度符合要求，承載后符合吊裝的要求。

2 方艙有限元模型

2.1 有限元模型的建立

由于試驗艙在裝配時采用焊接或者鉚接方式進行各部件之間的連接，最后形成一個整體，故在建立有限元模型時，各部件之間的連接是采用共節(jié)點的方法模擬裝配中的焊接工藝。為了載荷施加便利、方便局部應(yīng)力和變形分析，整個模型采用殼單元進行劃分。模型中主要采用四節(jié)點殼單元，局部過渡區(qū)域采用少量的三節(jié)點殼單元使載荷的傳遞與網(wǎng)格方向一致。模型中節(jié)點數(shù)為210363，單元數(shù)為208483。

2.2 邊界條件

試驗艙強度校核時分為兩種不同的工況：正常工作和吊裝工況。正常工作時，考慮到試驗艙在底部與其他結(jié)構(gòu)相連，分析時要對該區(qū)域進行六個方向全約束；在進行吊裝時，整體試驗艙的重力主要由安裝在艙體底部的支撐位置進行平衡，因此在進行試驗艙吊裝時，要在底板下六個主要橫梁的邊緣進行垂直方向的約束，為了避免計算時出現(xiàn)剛體位移，其中一個支撐位置須同時在兩個水平方向進行固定。

2.3 方艙組成材料的特征參數(shù)

方艙底座采用Q345B，內(nèi)外蒙皮為雙層各0.5 mm厚的彩鋼板，骨架采用Q235B。模擬所用材料參數(shù)見表1。

表1 方艙組成材料的特性參數(shù)Tab.1 Property parameters of the materials used on the shelter

2.4 載荷施加

試驗方艙的載荷包括：(1) 艙自重；(2) 艙內(nèi)設(shè)備對底座的載荷；(3) 艙壁上設(shè)備對艙體的載荷；(4) 風(fēng)載荷；(5) 艙體旋轉(zhuǎn)時的慣性力。

采用設(shè)置艙體材料密度和重力加速度來施加艙自重；艙內(nèi)設(shè)備加載時，將設(shè)備的重力均布施加在設(shè)備安裝的導(dǎo)軌上；艙壁上設(shè)備加載時，將整個重力均布施加在設(shè)備與試驗艙連接的節(jié)點上；風(fēng)壓采用塔式結(jié)構(gòu)的等效風(fēng)壓公式：

式中，q0為基本風(fēng)壓值，單位為Pa，

其中，ρ為當?shù)乜諝饷芏?，單位為kg/m3, v為風(fēng)速，單位為m/s。f是與風(fēng)壓高度變化系數(shù)、體型系數(shù)、塔體設(shè)備的有效直徑等參數(shù)相關(guān)的變量，這里取f=1.0。因此不同風(fēng)速下的風(fēng)壓力為

極限風(fēng)速及分壓分別為

計算時，根據(jù)天線陣面的面積，由P=pS得到總的風(fēng)力，考慮天線陣面與艙體之間的接觸，將總風(fēng)壓均布施加在與之相關(guān)的節(jié)點上；試驗艙在一定的角加速度轉(zhuǎn)動下的慣性力會對結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生影響，分析時，可利用軟件的功能直接施加加速度載荷進行仿真。

3 計算結(jié)果及分析

由于設(shè)備在安裝及工作時可能存在三種惡劣工況：(1) 吊裝無風(fēng)工況；(2) 工作時無搖擺，最大風(fēng)速為35 m/s；(3) 工作時有搖擺，最大風(fēng)速為35 m/s。因此，須針對以上三種工況對方艙應(yīng)力及變形進行求解。

3.1 無搖擺，風(fēng)速35 m/s的工況

(1) 原始模型

在滿載無搖擺、強風(fēng)下，計算得到該工作狀態(tài)下天線艙的整體等效應(yīng)力分布云圖如圖 2所示。試驗方艙整體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底座工字梁腹板開孔邊緣位置，應(yīng)力值為277.263 MPa，如圖3所示。這是由于此處開孔使得壁厚發(fā)生突變，產(chǎn)生應(yīng)力集中，滿足強度要求。下端支架六個牛腿的根部位置受拉應(yīng)力的作用，該處應(yīng)力值為156.651 MPa，如圖4所示。這是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的重要部位，故在下文的分析中針對各工況，主要應(yīng)討論該位置的應(yīng)力特性。天線陣面加載點周圍應(yīng)力值大約在90 MPa左右，因此，在該工況下結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計的要求。

圖2 整體應(yīng)力分布云圖Fig.2 Overall stress distribution cloud-map

圖3 底座腹板孔邊周圍應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud-map around the hole of main beam-to-column

圖4 底座腹板孔邊周圍應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution cloud-map around the hole of main beam-to-column

計算得到整體天線艙的變形分布云圖如圖 5所示。從變形云圖中可以看到，試驗方艙整體的變形相對較小，位移最大位置出現(xiàn)在平行于X軸的右側(cè)固定框架處，該處由于受到風(fēng)載作用，最大變形值為8.587 mm。

圖5 整體變形分布云圖Fig.5 Overall deformation distribution cloud-map

(2) 優(yōu)化模型

從上述分析中可以看到：雖然試驗方艙整體結(jié)構(gòu)剛度、強度滿足設(shè)計使用要求，但是由于牛腿工字梁腹板開孔邊緣的壁厚發(fā)生突變，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。因此在原模型基礎(chǔ)上，對牛腿工字梁腹板開孔處進行設(shè)計優(yōu)化，增大開孔邊緣與壁板距離，重新校核模型的剛度和強度，計算得到優(yōu)化后試驗方艙整體應(yīng)力最大值仍出現(xiàn)在牛腿工字梁腹板開孔邊緣位置，如圖6所示，但其大小已由原來的277.263 MPa減小為196.445 Mpa；牛腿根部位置應(yīng)力值沒有顯著變化，仍為152 Mpa左右。試驗方艙整體的變形最大值由原來的8.567 mm減小到8.492 mm。

圖6 優(yōu)化模型整體應(yīng)力分布云圖Fig.6 Optimization model overall stress distribution cloud-map

3.2 搖擺10°，風(fēng)速35m/s的工況

在滿載搖擺10°、強風(fēng)、并且具有最大搖擺角加速度條件下，采用底座打孔位置優(yōu)化后模型，計算得到方艙結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和無搖擺工況位置相類似，為205.745 MPa；牛腿根部的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力約107 MPa，符合使用要求。試驗方艙整體的變形值為9.245 mm，符合使用要求。

3.3 吊裝工況

由于試驗方艙在吊裝時和工作時的承載位置和狀態(tài)不同，因此吊裝模擬加載的位置與工作狀態(tài)加載的位置不同。計算得到最大應(yīng)力值在吊裝底角處，為101.231 Mpa，如圖7所示，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。試驗方艙的整體變形量為7.465 mm，滿足設(shè)計要求。

圖7 吊裝底角應(yīng)力分布云圖Fig.7 Hoisting seat-angle stress distribution cloud-map

4 結(jié)論

(1) 由于原始模型在底座局部開孔過大，造成應(yīng)力集中，雖最大應(yīng)力值符合要求，但底座結(jié)構(gòu)有改進的余地。通過底座打孔位置及尺寸優(yōu)化，使模型整體最大應(yīng)力值減小、結(jié)構(gòu)更為合理。

(2) 三種惡劣工況下，最大應(yīng)力和最大變形量均符合設(shè)計要求，方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足方艙強度和剛度的要求。

(3) 該研究為有限元方法在方艙設(shè)計中的強度校核、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進設(shè)計的運用提供了參考。

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