某特種方艙骨架模型靜力學(xué)分析

朱家洪 楊鋮 楊加春 馮帆

摘要：某特種方艙為我軍重要裝備的運(yùn)輸栽體及任務(wù)執(zhí)行時(shí)的承栽單元，方艙工作時(shí)頂部、底部、內(nèi)部均有較大的集中交變?cè)院?，為此?duì)方艙骨架的力學(xué)特性提出了一系列要求，需要在方艙骨架設(shè)計(jì)時(shí)在保證方艙內(nèi)外各設(shè)備安裝接口的前提下保證各部位的力學(xué)強(qiáng)度并進(jìn)行校核。主要就特種方艙骨架的靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，主要工況有：運(yùn)輸、吊裝、天線起豎等。

關(guān)鍵詞：特種方艙骨架;靜力學(xué)分析;運(yùn)輸工況;吊裝工況;起豎工況

中圖分類(lèi)號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-5383（2019）03-0011-05

特種骨架方艙是我軍大型電子設(shè)備的重要載體，方艙通常焊接為一體的籠式結(jié)構(gòu)，底部與大型汽車(chē)底盤(pán)或方位轉(zhuǎn)臺(tái)連接，頂部安裝有可起豎的大型天線系統(tǒng)，方艙內(nèi)部為電子操控設(shè)備安裝及人員操作空間，如圖1所示。這類(lèi)產(chǎn)品沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)型式，通常根據(jù)所裝載的天線與電子設(shè)備接口而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

而在一般的工程設(shè)計(jì)中僅需對(duì)方艙重要部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單力學(xué)計(jì)算，可以經(jīng)典力學(xué)公式簡(jiǎn)化模型后計(jì)算，也可以由三維軟件自帶的數(shù)據(jù)包進(jìn)行模型分析。本項(xiàng)目由于系統(tǒng)裝備價(jià)值較高以及作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性，方艙的安全性與可靠性在設(shè)計(jì)時(shí)顯得特別重要，對(duì)于方艙受力起決定性作用的骨架模型需要從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)維度進(jìn)行全模型有限元分析校核，本文僅以靜力學(xué)分析進(jìn)行闡述。

1特種方艙骨架計(jì)算模型及材料數(shù)據(jù)

方艙骨架幾何實(shí)體模型如圖2所示。將方艙骨架進(jìn)行有限元離散，得到的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。顯示梁元的剖面以及幾何偏心后，得到的有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

2運(yùn)輸工況靜力學(xué)分析

1）載荷和約束

考察在運(yùn)輸狀態(tài)下，瞬間軸向2g過(guò)載和頂部天線7.800t的重力載荷聯(lián)合作用下方艙骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。方艙底面與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的24個(gè)螺栓位置固支。將天線質(zhì)量等效成天線支座和支撐支座處的載荷如圖5所示。

2）位移和應(yīng)力

運(yùn)輸工況下的方艙骨架的位移變形見(jiàn)圖6。骨架組合應(yīng)力云圖如圖7所示。

3）結(jié)果分析

1）在運(yùn)輸工況下，方艙骨架從靜止?fàn)顟B(tài)瞬間加速，軸向主要受到2g慣性過(guò)載，變形特征表現(xiàn)為后仰，最大的變形量為4.25mm，發(fā)生在底座伸出的懸臂梁自由端面。

2）方艙骨架的最大軸向應(yīng)力為23.6MPa，發(fā)生在右壁“×”型梁處。最大彎曲應(yīng)力為66.5MPa，發(fā)生在后壁“T”型梁處。運(yùn)輸工況下，方艙骨架的受力條件相對(duì)惡劣的是后壁，從組合應(yīng)力來(lái)看，最大的應(yīng)力為75.9MPa.遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，表明結(jié)構(gòu)是偏安全的。

3吊裝工況靜力學(xué)分析

1）載荷和約束

考察在起吊狀態(tài)下，瞬間法向1.5g過(guò)載和頂部天線7.800t的重力載荷聯(lián)合作用下方艙骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。其中，將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等效成1.500t的集中質(zhì)量單元。在方艙左右壁安裝起吊支耳處固支。

2）位移和應(yīng)力

吊裝工況下的方艙骨架變形見(jiàn)圖8，方艙骨架組合應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9。

3）結(jié)果分析

1）在吊裝工況下，方艙骨架從靜止?fàn)顟B(tài)瞬間加速，法向主要受到1.5g慣性過(guò)載，變形特征表現(xiàn)為下座，最大的變形量為1.27mm，發(fā)生在底座與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的安裝板上。

2）方艙骨架的最大軸向應(yīng)力為22.1MPa，發(fā)生在靠近后壁的起吊支耳處的橫梁上。最大彎曲應(yīng)力為126.0MPa，仍發(fā)生在靠近后壁的起吊支耳處的橫梁上。

吊裝工況下，方艙骨架的受力條件相對(duì)惡劣的是左右壁安裝起吊支耳的區(qū)域，從組合應(yīng)力來(lái)看，最大的應(yīng)力為126.0MPa，但還小于材料的屈服極限，表明結(jié)構(gòu)是偏安全的。

4天線初始起豎T況（天線0°）靜力學(xué)分析

1）載荷和約束

考察頂部天線處于0°，在頂部天線7.800t的重力載荷作用下方艙骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。方艙底面與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的24個(gè)螺栓位置固支。

2）位移和應(yīng)力

天線初始起豎工況方艙骨架變形見(jiàn)圖10，方艙骨架組合應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11。

3）結(jié)果分析

在天線0°初始起豎工況下，將天線質(zhì)量等效到天線支座和支撐裝置上.變形特征表現(xiàn)為左右壁的彎曲。由于等效到支撐支座上的載荷接近天線支座的兩倍，最大變形量為2.77mm，發(fā)生在右后壁豎梁上。

方艙骨架的最大軸向應(yīng)力為35.6MPa，發(fā)生在右壁“×”型梁處。最大彎曲應(yīng)力為61.3MPa，發(fā)生在后壁“T”型梁處。天線0。靜止工況下，方艙骨架的受力條件相對(duì)惡劣的是后壁，從組合應(yīng)力來(lái)看，最大的應(yīng)力為69.9MPa，還遠(yuǎn)小于材料的屈服極限.表明結(jié)構(gòu)是偏安全的。

5天線起豎43°工況靜力學(xué)分析

1）載荷和約束

考察頂部天線處于43°，在頂部天線7.800t的重力載荷作用下方艙骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。方艙底面與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的24個(gè)螺栓位置固支。將天線質(zhì)量等效成天線支座和油缸支座處的載荷如圖12所示。

2）位移和應(yīng)力

天線起豎43°工況方艙骨架變形如圖13所示.方艙骨架組合應(yīng)力云圖如圖14所示。

3）結(jié)果分析

在天線起豎43°工況下，變形特征與0°類(lèi)似，仍表現(xiàn)為左右壁的彎曲。天線負(fù)載等效到天線支座上的載荷占到總載荷的84.2%，因此，最大變形發(fā)生在右壁油缸支座處豎梁.最大變形量為1.98mm。

方艙骨架的最大軸向應(yīng)力為21.7MPa.發(fā)生在后壁底梁處。最大彎曲應(yīng)力為48.5MPa，發(fā)生在后壁“T”型梁處。天線43°靜止工況下，方艙骨架的受力條件相對(duì)惡劣的是后壁，從組合應(yīng)力來(lái)看，最大的應(yīng)力為53.1MPa，還遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，表明結(jié)構(gòu)是偏安全的。

6天線起豎70°工況靜力學(xué)分析

1）載荷和約束

考察頂部天線處于70°，在頂部天線7.800t的重力載荷作用下方艙骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。方艙底面與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接的24個(gè)螺栓位置固支。將天線質(zhì)量等效成天線支座和油缸支座處的載荷如圖15所示。

2）位移和應(yīng)力

天線起豎70°工況方艙骨架變形情況如圖15所示，方艙骨架組合應(yīng)力云圖如圖16所示。

3）結(jié)果分析

在天線起豎70°工況下，變形特征與0°類(lèi)似，仍表現(xiàn)為左右壁的彎曲。天線負(fù)載等效到天線支座上的載荷占到總載荷的60.4%，因此，最大變形發(fā)生在右前壁豎梁，最大變形量為2.84mm。

方艙骨架的最大軸向應(yīng)力為23.4MPa，最大彎曲應(yīng)力為38.5MPa，發(fā)生在底座的橫梁上。天線70°靜止工況下.方艙骨架的受力條件相對(duì)惡劣的是底座，從組合應(yīng)力來(lái)看，最大的應(yīng)力為68.4MPa，還遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，表明結(jié)構(gòu)是偏安全的。

7各工況總結(jié)

將上述工況進(jìn)行小結(jié)，載荷和約束對(duì)比見(jiàn)表2，位移和應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表3和表4。

從表3和表4可以看出：

1）上述5種工況中，以剛度作為衡量指標(biāo)，運(yùn)輸工況的位移相對(duì)較大。軸向的過(guò)載下，使得骨架結(jié)構(gòu)有后仰變形，最大位移量4.25mm，發(fā)生在底座伸出的懸臂梁。以強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)，吊裝工況應(yīng)力相對(duì)較大，其組合應(yīng)力達(dá)到126MPa。由于結(jié)構(gòu)所用材料的屈服強(qiáng)度為343MPa，所以本工況下仍然是偏安全的。

2）起豎工況下，天線處于O、43和70°等效作用在天線支座、油缸支座以及支撐裝置上的載荷變化較大。天線處于0°時(shí)，單側(cè)支撐裝置上的載荷為2.300t，占到單側(cè)總載荷（3.900t）的59.0%，此時(shí)右后壁豎梁變形最大;天線處于43°時(shí)，單側(cè)油缸支座上的載荷為3.283t，占到單側(cè)總載荷84.2%，此時(shí)支撐油缸的豎梁變形最大;天線處于70°時(shí)，單側(cè)油缸支座上的載荷為2.357t，占到單側(cè)總載荷60.4%，此時(shí)支右前壁豎梁變形最大?？梢钥闯?，中隔壁對(duì)于左壁起到一定剛度加強(qiáng)作用。

3）后壁設(shè)計(jì)中存在“T”型梁，往往是應(yīng)力集中的區(qū)域，在設(shè)計(jì)中考慮做成“+”型。