一種鋁合金信息艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫國立

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

方艙起源于美國，最初用于軍用，隨著技術(shù)進步方艙的應用不局限于軍用，在民用領(lǐng)域也得到了廣泛應用，比如醫(yī)療、通信、航天、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都有著成熟的產(chǎn)品。方艙具有良好的機動性，可以設(shè)計成與目前市場上各類廂車底盤相匹配的產(chǎn)品，通過各類汽車的搭載、牽引進行運輸，也可進行空運、航運、懸吊和火車運輸，不論是長途調(diào)配還是局部移動都可以機動快速的完成布置，節(jié)省時間，提升工作效率[1-2]。方艙環(huán)境適應性強，能有效的對人員和設(shè)備進行保護，在惡劣環(huán)境下，各類儀器往往無法正常運行，人員無法實現(xiàn)作業(yè)，將人員和設(shè)備至于方艙內(nèi)可以實現(xiàn)對外界惡劣環(huán)境的屏蔽[3-4]。方艙使用壽命長，維護成本低，可拆卸及改裝循環(huán)利用，對比其他方式的營地建設(shè)成本低[5]。另外方艙的運用對于工作模塊化、通用化效率的提升有一定的促進作用。隨著技術(shù)的發(fā)展進步，方艙的應用將更廣泛，個性化定制的需求也將不斷增加。

在上述背景下，研發(fā)設(shè)計了一種新型信息艙，利用裝載的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)實現(xiàn)遠程指揮功能。信息艙主要組成系統(tǒng)包括：艙體結(jié)構(gòu)、配電系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、本地控制管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、呈現(xiàn)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。艙體結(jié)構(gòu)包括艙體鋁結(jié)構(gòu)和內(nèi)飾系統(tǒng)兩部分。艙體鋁結(jié)構(gòu)采用大斷面鋁合金擠壓型材整體焊接承載結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻、頂棚和端墻等模塊組成，具有強度高、剛度高和輕量化水平高的優(yōu)點，能夠承受起吊、運輸過程中的載荷。內(nèi)飾系統(tǒng)內(nèi)壁選用環(huán)保玻璃鋼材料，地板采用鋁蜂窩板加防滑PVC地板布結(jié)構(gòu)，辦公用品以鋁合金材料為主，整個內(nèi)飾設(shè)計美觀大方，安裝方便牢固。

1 信息艙基本技術(shù)參數(shù)

信息艙艙體結(jié)構(gòu)如圖1所示。艙體長度6058mm；艙體寬度2063mm；艙體高度2591mm；艙內(nèi)客室凈高度2100mm；艙門凈開度800；端部設(shè)備檢修門凈開度1500；艙體傳熱系數(shù)1.44W/m2·K；艙體結(jié)構(gòu)重量1.4t。

圖1 信息艙艙體結(jié)構(gòu)

2 艙體鋁結(jié)構(gòu)

2.1 艙體鋁結(jié)構(gòu)材料

鋁合金材料以其重量輕、耐腐蝕性高、易于焊接和具有抗拉及屈服強度高等優(yōu)點成為信息艙體結(jié)構(gòu)的理想材料。艙體鋁結(jié)構(gòu)材料主要采用6xxx系列時效硬化型鋁合金型材及板材。其中底架、車頂、側(cè)墻均采用大型斷面鋁合金擠壓型材制造，材質(zhì)為 EN AW-6005A-T6；端墻采用板、梁結(jié)構(gòu)制造，板材材質(zhì)為EN AW-6082-T6(51)。所用型材、板材材質(zhì)化學成分滿足EN573-3或者GB/T 3190標準(表1)。結(jié)構(gòu)用型材及板材的力學性能分別滿足EN755-2，EN485-2標準(表2和表3)。艙體鋁結(jié)構(gòu)所用材料明細見表4。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 型材力學性能

表3 板材力學性能

表4 艙體鋁結(jié)構(gòu)部件所用材料明細

2.2 艙體鋁結(jié)構(gòu)主要組成部件

艙體鋁結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、頂棚、端墻等整體模塊部件焊接組成(圖2)，各模塊采用中空大斷面擠壓鋁型材拼接結(jié)構(gòu)，底架模塊與側(cè)墻模塊、側(cè)墻模塊與頂棚模塊之間設(shè)計成插接結(jié)構(gòu)。型材之間焊縫均為長直焊縫，都可以使用自動化焊接設(shè)備，機械化程度高。艙體鋁結(jié)構(gòu)能夠承受自重、設(shè)備、人員的垂向載荷，也能承受起吊運輸過程中扭轉(zhuǎn)、牽引力、橫向力、制動力等載荷，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強度，在使用期限內(nèi)不發(fā)生永久變形。

圖2 艙體鋁結(jié)構(gòu)

2.2.1 底架結(jié)構(gòu)

底架結(jié)構(gòu)是艙體結(jié)構(gòu)中重要承載部分，不僅要承受艙內(nèi)設(shè)備和人員的重量，同時傳遞運輸過程中的牽引力和制動力并承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的各種復雜載荷，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計的是否合理直接影響整個艙體的強度。底架結(jié)構(gòu)采用兩根通長鋁型材底架邊梁貫穿底架兩側(cè)，與通長底架地板型材搭接組焊。底架兩端是鋁型材端梁，分別與底架邊梁和底架地板型材焊接。底架四端角設(shè)置角孔，角孔開孔尺寸與標準角件相同，能夠滿足掛車鎖體結(jié)構(gòu)鎖緊要求。底架邊梁下方加工有叉車位，叉車位區(qū)域用叉車位補強板加強。門區(qū)底架邊梁加工去掉高出地板型材部分，門口處還設(shè)有排水孔，能有效排出雨水和清洗打掃后的廢水，底架斷面結(jié)構(gòu)見圖3。

2.2.2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

側(cè)墻結(jié)構(gòu)由5塊側(cè)墻型材對接組焊而成，具有結(jié)構(gòu)簡單，強度高、剛度高，自身重量輕的優(yōu)點。側(cè)墻分左、右側(cè)墻，一側(cè)側(cè)墻加工門口，門口設(shè)置門立柱，門立柱下方位置和底架邊梁焊接，兩側(cè)和上方位置與側(cè)墻型材焊接。另外一側(cè)側(cè)墻加工窗口，用于安裝窗戶。門角、窗角采用圓弧結(jié)構(gòu)，可以有效避免應力集中。側(cè)墻上下型材設(shè)計成插口結(jié)構(gòu)，能與底架邊梁和頂棚側(cè)頂型材插口配合焊接，艙體高度通過調(diào)整側(cè)墻與頂棚側(cè)頂型材插接深度進行調(diào)整。側(cè)墻斷面結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 底架斷面結(jié)構(gòu)

圖4 側(cè)墻斷面結(jié)構(gòu)

2.2.3 頂棚結(jié)構(gòu)

頂棚結(jié)構(gòu)由2塊側(cè)頂型材和5塊中頂型材焊接而成。頂棚上方焊有滑槽和安裝座，用于安裝衛(wèi)星天線、風力發(fā)電、全景攝像頭等設(shè)備。頂棚四角設(shè)置起吊孔，起吊孔區(qū)域通過頂棚吊點補強板加強，能夠滿足起吊強度要求。頂棚斷面結(jié)構(gòu)見圖5

圖5 頂棚斷面結(jié)構(gòu)

2.2.4 端墻結(jié)構(gòu)

端墻結(jié)構(gòu)采用板、梁焊接結(jié)構(gòu)，由立柱、加強梁及鋁蒙皮組焊而成。端墻與頂棚、側(cè)墻、底架組焊構(gòu)成整個艙體鋁結(jié)構(gòu)。兩端端墻結(jié)構(gòu)不同，一端中間為門口結(jié)構(gòu)，門口焊有門立柱和上門框用于安裝設(shè)備檢修門。另一端在蒙皮外側(cè)焊有空調(diào)室外機安裝結(jié)構(gòu)。

3 內(nèi)飾系統(tǒng)

艙體內(nèi)飾系統(tǒng)主要由側(cè)墻板、側(cè)頂板、中頂板、端墻板、地板、LED燈帶、側(cè)窗、艙門、鋁合金辦公設(shè)施等部分組成。內(nèi)飾設(shè)計采取減少可見緊固件，分塊分縫一致，美觀大方，色調(diào)協(xié)調(diào)、明快、柔和，具有現(xiàn)代氣息。內(nèi)飾墻板材料選用玻璃鋼材料，表面油漆滿足DIN 5510標準規(guī)定防火和安全要求。內(nèi)飾墻板、地板與鋁結(jié)構(gòu)之間設(shè)有防寒隔音材料，主要材料為礦物棉板(在34℃時，熱傳導系數(shù)為0.036 W/m·K)，防寒材不含石棉等有害物質(zhì)。側(cè)頂板上布有LED燈帶，燈帶下方設(shè)有檢修孔。地板采用鋁蜂窩地板，結(jié)構(gòu)由鋁型材、上下鋁面板、鋁蜂窩夾芯等組成。鋁蜂窩地板上方為PVC地板布，PVC地板布采用乙烯基防滑面材，面材中加有金剛砂顆?；蛟颇噶?，內(nèi)部采用無紡玻璃纖維網(wǎng)格布加強材料。側(cè)窗為單元組合式固定窗，主要由鋁框、窗玻璃和密封膠等部分組成，窗玻璃采用雙層安全中空玻璃，其結(jié)構(gòu)為5mm綠玻(外片)+9mm中空層+5mm白玻(內(nèi)層)，總厚度為19mm，可見光透射率>70%。艙門門板采用鋁板，中間為鋁蜂窩和型材框架，采用真空粘接技術(shù)粘接而成。艙內(nèi)還配置鋁合金指揮臺、文件柜、鋁合金沙盤桌、座椅等辦公設(shè)施。內(nèi)飾系統(tǒng)見圖6。

圖6 內(nèi)飾系統(tǒng)

4 有限元分析

利用有限元分析的方法對鋁合金信息艙結(jié)構(gòu)強度進行分析驗證，叉起與垂直總載荷工況應力云圖如圖7所示。方艙結(jié)構(gòu)主要通過焊接而成，建立有限元模型時通過剛性單元來模擬各個型材之間的連接關(guān)系。采用仿真軟件中的殼單元進行網(wǎng)格的劃分，使方艙結(jié)構(gòu)離散化，遵循“均勻應力區(qū)粗化，應力梯度區(qū)細化”的網(wǎng)格劃分原則，并對結(jié)構(gòu)強度影響較小的裝配孔、倒角的細小特征進行簡化處理。載荷為艙體自身重量1.4t，設(shè)備和人員重量1.8t。電機柜區(qū)域集中加載1t載荷，其余均布載荷。計算工況分別為垂直總載荷工況、60°起吊與垂直總載荷組合工況、叉起與垂直總載荷組工況和三點支撐工況。通過應力分布云圖，最大應力發(fā)生在叉起與垂直總載荷組合工況，位于補強板非焊縫區(qū)，應力最大值為132.6MPa，遠低于母材屈服強度。分析結(jié)果表明信息艙艙體結(jié)構(gòu)布局與材料選擇有針對性，設(shè)計科學合理。

圖7 叉起與垂直總載荷工況應力云圖

5 結(jié)束語

信息艙艙體結(jié)構(gòu)具有輕量化水平高、結(jié)構(gòu)安全性高、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，其設(shè)計成功，為方艙類產(chǎn)品提供了個性化定制的新思路，具有廣泛的應用與發(fā)展前景。