車載方艙正樣加固設(shè)計與仿真計算*

楊 新，王卓顯，梁漢新

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

車載方艙正樣加固設(shè)計與仿真計算*

楊 新，王卓顯，梁漢新

(中國電波傳播研究所， 山東 青島 266107)

在某車載方艙正樣研制過程中，由于裝載儲運柜的墻式框架結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)嚴(yán)酷而復(fù)雜的越野車載要求，需對初樣方艙進(jìn)行改裝加固以滿足整車系統(tǒng)的使用要求。文中針對研制過程中的主要技術(shù)難點，給出了設(shè)計思路；結(jié)合儲運柜隔振系統(tǒng)的布置方案和初樣方艙的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了方艙的加固設(shè)計；利用有限元軟件對方艙加固前后2種狀態(tài)進(jìn)行了仿真計算和對比。仿真計算結(jié)果和正樣方艙的實際應(yīng)用表明：加固設(shè)計是必要的，而且合理可行，能滿足整車系統(tǒng)的使用要求。

加固設(shè)計；仿真計算；方艙；正樣

引 言

在某車載方艙正樣研制過程中，根據(jù)批復(fù)的改進(jìn)方案，系統(tǒng)裝載的所有貴重設(shè)備都需安裝在方艙艙內(nèi)的左右儲運柜中，儲運柜為整墻式框架結(jié)構(gòu)。由于項目的特殊需求，需對初樣方艙進(jìn)行改裝加固后安裝左右儲運柜，使之滿足項目的技術(shù)要求，尤其是使設(shè)備及方艙在嚴(yán)酷而復(fù)雜的越野車載狀態(tài)下保持原有的性能指標(biāo)。

文獻(xiàn)[1]～[4]對方艙加固設(shè)計進(jìn)行了理論研究和相關(guān)試驗，但研究的內(nèi)容是針對處于設(shè)計加工階段或處于爆炸沖擊載荷或電磁脈沖載荷工況下的方艙的，雖對本文的方艙加固設(shè)計有參考意義，但不完全適用。本文針對項目特殊需求條件下的主要技術(shù)難點，結(jié)合儲運柜隔振系統(tǒng)的布置方案和初樣方艙的結(jié)構(gòu)形式，對方艙進(jìn)行了加固設(shè)計，并利用有限元軟件對方艙加固前后2種狀態(tài)進(jìn)行了仿真計算。

1 主要技術(shù)難點及設(shè)計思路

1.1 主要技術(shù)難點

按系統(tǒng)總體要求及作業(yè)條件，正樣整車承受凸凹不平行駛路面等引起的瞬間響應(yīng)沖擊加速度。初樣車在標(biāo)準(zhǔn)惡劣路面行駛，方艙內(nèi)實測的最大沖擊加速度(主要為車輛行駛路面的垂直方向)為2.2g，艙內(nèi)單側(cè)儲運柜(含設(shè)備)的質(zhì)量最大為810 kg，儲運柜的外形尺寸為2 600 mm(長) × 630 mm(深) × 1 815 mm(高)。根據(jù)這些技術(shù)要求，正樣方艙加固設(shè)計存在以下難點：

1)儲運柜的頂部與方艙艙內(nèi)頂部僅留彈跳間隙，橫向穩(wěn)定度小于縱向穩(wěn)定度，質(zhì)心高及質(zhì)量較大，行進(jìn)狀態(tài)下車輛的橫向晃動對方艙側(cè)壁受力的影響較大；

2)方艙為大板式方艙，內(nèi)蒙皮為1.5 mm厚的合金鋁板，內(nèi)骨架為鋁合金矩形管，僅方艙側(cè)壁內(nèi)蒙皮承受橫向較大沖擊力的能力較弱，若加固安裝不合理，可能會扯裂或撕開蒙皮；

3)改進(jìn)方案在裝載形式上與初樣機相比有較大改變，初樣機方艙內(nèi)預(yù)埋件多處不可用，且骨架位置不在受力位(或扶正位)；

4)方艙的加固應(yīng)保持原空調(diào)風(fēng)道的主體結(jié)構(gòu)及走線，不損壞初樣方艙的內(nèi)飾狀態(tài)；

5)為保證方艙的美觀及密封性，不允許緊固件穿艙壁連接固定；

6)加固后應(yīng)保證運載狀態(tài)下方艙的內(nèi)蒙皮完整，不允許有扯裂或撕開現(xiàn)象，同時方艙不允許出現(xiàn)塑性變形及拉脫的情況。

1.2 設(shè)計思路

綜合考慮總體要求及技術(shù)難點，方艙正樣研制應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

1)為保證設(shè)備滿足實戰(zhàn)時越野車嚴(yán)酷的運載狀態(tài)，改進(jìn)方案繼續(xù)沿用并改進(jìn)樣機給儲運柜安裝隔振系統(tǒng)的技術(shù)，設(shè)計安裝可靠的隔振系統(tǒng)。同時帶有隔振系統(tǒng)的儲運柜在承受大沖擊時，對方艙的作用力小于無隔振系統(tǒng)的儲運柜。

2)為了提升方艙側(cè)壁的承載能力，保證方艙在運載狀態(tài)下不被損壞，需對方艙側(cè)壁相關(guān)部位進(jìn)行加固。

2 儲運柜扶正隔振器系統(tǒng)布置

2.1 右儲運柜扶正隔振器系統(tǒng)布置

方艙內(nèi)右側(cè)儲運柜扶正隔振器的布設(shè)位置如圖1所示。方艙右側(cè)后部的油機艙使儲運柜后端隔振器組自然抬高，并高于儲運柜(含設(shè)備)質(zhì)心，可作為儲運柜后部側(cè)方扶正隔振器組，起到承受并緩解側(cè)向沖擊力的作用。在承受側(cè)向沖擊力時，油機艙上面及方艙后內(nèi)壁主要承受的是剪力。在油機艙頂上及在方艙后內(nèi)壁處的隔振器組對應(yīng)位置的6 mm厚的預(yù)埋鋼板，均為初樣車所用的預(yù)埋鋼板。

圖1 右儲運柜扶正隔振器布置示意圖

在改進(jìn)設(shè)計時，考慮到安全系數(shù)，在儲運柜后端增加了一個側(cè)方扶正隔振器，其安裝位置高于油機艙上隔振器組的安裝位置，它幾乎位于儲運柜的左上邊緣。扶正隔振器的位置距儲運柜質(zhì)心的距離越大，其所承受的側(cè)向沖擊力就越小。

2.2 左儲運柜扶正隔振器系統(tǒng)布置

如圖2所示，方艙內(nèi)左側(cè)儲運柜右上的側(cè)方扶正隔振器所對應(yīng)的方艙側(cè)壁的加固結(jié)構(gòu)與右側(cè)儲運柜的相同。在儲運柜后面左上側(cè)的扶正隔振器在方艙側(cè)壁的位置應(yīng)盡量靠近儲運柜后上方。

圖2 左儲運柜扶正隔振器布置示意圖

3 方艙加固設(shè)計

如圖3所示，初樣方艙結(jié)構(gòu)主要為大面積的內(nèi)蒙皮(薄鋁板)直接壓粘在方艙壁內(nèi)的發(fā)泡塑料板材上，采用此種粘接方式的艙內(nèi)蒙皮的抗拉拽能力較差，但抗剪能力好于抗拉拽能力[5-7]。

圖3 方艙結(jié)構(gòu)示意圖

右儲運柜前上部的側(cè)方扶正隔振器安裝于方艙右側(cè)中上部，此部位屬于方艙側(cè)壁剛性較薄弱的部位，應(yīng)綜合考慮該部位方艙側(cè)壁的承載能力。如圖4所示，采用8 mm厚的鋁板對位于方艙右側(cè)壁的扶正隔振器安裝部位進(jìn)行加固，對鋁板與方艙側(cè)壁內(nèi)相應(yīng)骨架部分實施拉鉚連接，以其作為側(cè)方扶正隔振器的承力結(jié)構(gòu)件。同時對方艙頂與側(cè)壁之間的部位進(jìn)行加固，加固結(jié)構(gòu)件與方艙頂壁加強梁進(jìn)行可靠連接。

圖4 方艙右側(cè)壁受力位置加固示意圖

左側(cè)儲運柜右上的側(cè)方扶正隔振器所對應(yīng)的方艙側(cè)壁的加固結(jié)構(gòu)與右側(cè)的相同。如圖5所示，儲運柜左上的側(cè)方扶正隔振器所對應(yīng)的方艙側(cè)壁的加固結(jié)構(gòu)件盡量靠近左上艙角，加固結(jié)構(gòu)件為5 mm厚的由鋼板制作的三維角件，通過鉚釘與艙角的加強梁連接。

圖5 方艙左側(cè)壁受力位置及艙角加固示意圖

4 方艙加固前側(cè)壁受力仿真計算

儲運柜后側(cè)上方扶正隔振器在方艙未加固狀態(tài)下直接安裝到側(cè)壁鋁蒙皮上，鋁蒙皮為直接受力結(jié)構(gòu)件，下面對該狀態(tài)下的鋁蒙皮進(jìn)行受力仿真計算。

鋁蒙皮為1.5 mm厚的鋁合金板，且面積較大，在建模時根據(jù)實際需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下簡化：對于位置較近的構(gòu)件結(jié)合點，采用適當(dāng)合并或“主從節(jié)點”的方式處理，避免在實際計算中出現(xiàn)方程病態(tài)；對于載荷作用比較復(fù)雜的情況，將其簡化為常用的加載方式(點載荷、面載荷等)，以利于分析計算[8]。因此在有限元分析軟件中鋁蒙皮采取板殼單元建立仿真計算模型，在鋁蒙皮與加強梁壓粘處施加邊界約束條件，在扶正隔振器連接區(qū)域內(nèi)施加1 kN的正拉力面載荷，劃分網(wǎng)格后，對方艙側(cè)壁中上部受側(cè)沖力的部位進(jìn)行仿真計算，計算分析結(jié)果如圖6和圖7所示(圖形顯示的變形比例為2.08)。計算結(jié)果表明：側(cè)壁蒙皮的最大應(yīng)力為585 MPa，最大位移量為32.7 mm，最大應(yīng)力超出鋁板屈服應(yīng)力σs= 245 MPa[9]，且隔振器轉(zhuǎn)接板直接連接在方艙側(cè)壁蒙皮上，極有可能使側(cè)壁鋁蒙皮被拉脫或剝離。從以上結(jié)果可知：方艙局部未加固，存在安全隱患。

圖6 側(cè)壁蒙皮應(yīng)力計算結(jié)果(最大應(yīng)力585 MPa)

圖7 側(cè)壁蒙皮位移計算結(jié)果(最大位移32.7 mm)

5 方艙加固后側(cè)壁受力仿真計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)簡化原則以及文獻(xiàn)[10]，在有限元分析軟件中將鋁蒙皮-聚氨酯泡沫-鋁合金加強梁的結(jié)構(gòu)等效為梁單元結(jié)構(gòu)，忽略尺寸較小的梁，保留起主要支撐作用的梁，將轉(zhuǎn)接鋁板等效為板殼單元，在鋁板與艙壁連接孔處施加邊界約束條件，忽略原方艙在側(cè)壁內(nèi)外蒙皮的壓粘約束以及原方艙側(cè)壁與頂壁的結(jié)構(gòu)連接約束。在扶正隔振器連接區(qū)域內(nèi)施加1 kN的正拉力面載荷，網(wǎng)格劃分后對方艙側(cè)壁中上部的承受側(cè)沖力的部位進(jìn)行仿真計算。計算分析結(jié)果如圖8和圖9所示(圖形顯示的變形比例為183.14)。計算結(jié)果表明，側(cè)壁蒙皮的最大應(yīng)力為36.3 MPa，最大位移量為0.57 mm。最大應(yīng)力完全在彈性范圍內(nèi)，具有高安全系數(shù)；位移量很小，僅為0.57 mm，不會使方艙側(cè)壁發(fā)生塑性變形，且隔振器轉(zhuǎn)接板并未直接連接在方艙側(cè)壁蒙皮上，不會使側(cè)壁鋁蒙皮出現(xiàn)拉脫或剝離現(xiàn)象。

圖8 側(cè)壁加固應(yīng)力計算結(jié)果(最大應(yīng)力36.3 MPa)

圖9 側(cè)壁加固位移計算結(jié)果(最大位移0.57 mm)

6 方艙加固后艙角受力仿真計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)簡化原則，在有限元分析軟件中方艙艙角采用實體單元建立模型，在鉚釘連接孔處施加邊界約束條件，在扶正隔振器連接區(qū)域內(nèi)施加1 kN的正拉力面載荷，劃分網(wǎng)格后對艙角加固結(jié)構(gòu)件進(jìn)行仿真計算，計算分析結(jié)果如圖10和圖11所示(圖形顯示的變形比例為209)。計算結(jié)果表明，側(cè)壁蒙皮的最大應(yīng)力為69.2 MPa，最大位移量為0.13 mm。最大應(yīng)力完全在彈性范圍內(nèi)，具有高安全系數(shù)；位移量很小，僅為0.13 mm，不會使方艙側(cè)壁發(fā)生塑性變形，且艙角加固結(jié)構(gòu)件未直接連接在方艙側(cè)壁蒙皮上，不會使側(cè)壁鋁蒙皮出現(xiàn)拉脫或剝離現(xiàn)象。

圖10 艙角應(yīng)力計算結(jié)果(最大應(yīng)力69.2 MPa)

圖11 艙角位移計算結(jié)果(最大位移0.13 mm)

7 結(jié)束語

該方艙經(jīng)加固設(shè)計后，按照使用要求隨整車系統(tǒng)順利通過了嚴(yán)酷而復(fù)雜的越野路面跑車等各項試驗，并交付用戶使用至今。仿真計算結(jié)果和正樣方艙的實際應(yīng)用表明：加固設(shè)計是必要的，合理可行的，能滿足整車系統(tǒng)的使用要求。文中的方艙加固設(shè)計為方艙正樣的工程研制提供了理論基礎(chǔ)，加固設(shè)計所采用的方法和理論計算，對同類設(shè)計具有一定的參考價值。

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楊 新(1959-)，男，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

王卓顯(1983-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

梁漢新(1959-)，男，研究員級高級工程師，副總工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)工藝。

Reinforcement Design and Simulation Computation for Formal Prototype of a Vehicle Shelter

YANG Xin，WANG Zhuo-xian，LIANG Han-xin

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

In the development of the formal prototype of a vehicle shelter，because of the wall frame structure of the storing cabinets and the rigorous and complicated cross-country vehicular requirements, the prototype shelter should be reinforced to satisfy the operation requirement of the whole vehicle system. According to the main technical difficulties in the development, the way of thinking for design is given in this paper. Combined with the installation for the vibration isolation system of the storing cabinets and the structure of the prototype shelter, the reinforcement design for the shelter is made. Simulation computation and comparison of the status before and after reinforcement are carried out by finite element software. The simulation computation result and the application of the formal prototype show that the reinforcement design is essential, reasonable and practicable and the reinforced shelter can meet the operation requirements of the whole system.

reinforcement design；simulation computation；shelter；formal prototype

2014-12-29

TH122

A

1008-5300(2015)01-0010-04