軍用方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有限元研究

盛先莉

摘 要：我國(guó)是一個(gè)愛(ài)好和平的大國(guó)，擁有著龐大的軍事規(guī)模，在國(guó)際軍事力量中排名第三。我國(guó)軍事力量的強(qiáng)大離不開(kāi)各種軍用設(shè)備武器的進(jìn)步。本文主要從有限元的基礎(chǔ)上對(duì)軍用方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：有限元 軍用方艙 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Finite Element Study on Structural Design of Military Shelter

Sheng Xianli

Abstract：China is a large peace-loving country with a huge military scale， ranking third in international military power. The strength of China's military is inseparable from the advancement of various military equipment and weapons. This article mainly studies the structural design of military shelters on the basis of finite element.

Key words：finite element， military shelter， structural design

1 軍用方艙的功能分析

軍用方艙是軍隊(duì)中常用的新型裝備，加強(qiáng)軍用方艙的建設(shè)能夠促進(jìn)我國(guó)的軍隊(duì)實(shí)力的加強(qiáng)。我國(guó)傳統(tǒng)的軍用方艙已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)時(shí)代的需求，因此要對(duì)軍用方艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在軍用方艙設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求：

（1）剛度、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性能、安全性能以及使用壽命應(yīng)該滿足實(shí)際需求。（2）軍用方艙的體積較小，要為軍用方艙內(nèi)的工作人員提供充足豐富的日常用品以及戰(zhàn)斗設(shè)備，工作環(huán)境應(yīng)該符合安全舒適健康的標(biāo)準(zhǔn)。（3）軍用方艙在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從不同軍種的實(shí)際情況出發(fā)，例如，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)陸軍的軍用方艙時(shí)，要考慮到方艙的外觀，防止軍用方艙被敵軍發(fā)現(xiàn)。（4）軍用方艙的保護(hù)層應(yīng)使用防火防彈耐高溫的材料，在戰(zhàn)斗過(guò)程中保證軍用方艙內(nèi)的設(shè)備與指揮人員的安全。

2 新型軍用方艙的總體設(shè)計(jì)

在方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中隔熱性能、剛度、強(qiáng)度成為了關(guān)鍵。我國(guó)的傳統(tǒng)方艙一般有一到兩個(gè)位于艙內(nèi)或運(yùn)載平臺(tái)上的繞線盤(pán)，艙內(nèi)色彩搭配顏色比較單一，容易使艙內(nèi)的指揮人員產(chǎn)生壓抑感。艙內(nèi)地面采用墨綠色的澆筑地板，沒(méi)有采取防滑措施，工作人員在搬運(yùn)設(shè)備時(shí)容易滑倒。軍用方艙內(nèi)的顯示器一般采用加固顯示器，用于信號(hào)傳輸?shù)奶炀€水平安裝在存放箱中。座椅采用普通座椅或者折疊椅，工作人員在長(zhǎng)期工作后容易腰部勞累。傳統(tǒng)的軍用方艙的外表使用聚氨酯泡沫材料遇到高溫易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭到破壞。

3 軍用方艙的載荷性能研究

設(shè)計(jì)軍用方艙時(shí)應(yīng)從我國(guó)軍事的實(shí)際情況出發(fā)，利用先進(jìn)的加工方式進(jìn)行加工。軍用方艙的外表呈長(zhǎng)方體形狀，長(zhǎng)度為六米，寬度為三米，高度為兩米五十厘米。在設(shè)計(jì)方艙的長(zhǎng)寬高時(shí)還需要保證方艙的總體質(zhì)量要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)方艙的載荷具有一定的要求。在研究方艙的載荷要求時(shí)，應(yīng)該模擬在不同環(huán)境中方艙的受力，對(duì)軍用方艙在各個(gè)部位的受力進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)的分析，利用有限元的計(jì)算方法分析受力情況。除了軍用方艙的外部尺寸設(shè)計(jì)，方艙在結(jié)構(gòu)上使用大板式結(jié)構(gòu)，軍用方艙的六個(gè)表面分別由不同長(zhǎng)寬的夾層復(fù)合板構(gòu)成，分別為頂板、底板、前板、后板、左板、右板，采用鑄鋼角件和內(nèi)外角件固定六個(gè)夾層復(fù)合板。將前板和后板中的倒角消去，以便于提高軍用方艙的強(qiáng)度和質(zhì)量。軍用方艙復(fù)合板的厚度約為15厘米左右，其中隔熱材料的厚度為10厘米，骨架的厚度為4厘米。復(fù)合板中的夾層中含有堅(jiān)固的鋼筋，復(fù)合板對(duì)外的一層使用具有一定強(qiáng)度、可焊性強(qiáng)、抗腐蝕性能較高的硬鋁合金板，朝向內(nèi)的一層使用機(jī)械性能與工藝性能較好的冷軋鋼板。在每個(gè)夾層復(fù)合板的內(nèi)層與外層之間加入硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料多為閉孔結(jié)構(gòu)，具有絕熱效果好、重量輕、比強(qiáng)度大、施工方便等優(yōu)良特性，同時(shí)還具有隔音、防震、電絕緣、耐熱、耐寒、耐溶劑等特點(diǎn)。除此之外，還應(yīng)在夾層復(fù)合板中添加適量的圈梁，以此來(lái)防止地基不均勻沉降或較大振動(dòng)荷載等對(duì)軍用方艙產(chǎn)生的不利影響，圈梁道數(shù)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)軍用方艙的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況確定，針對(duì)軍用方艙的結(jié)構(gòu)與尺寸特點(diǎn)，可以在軍用方艙的基礎(chǔ)頂面部位與檐口部位設(shè)置一道圈梁，合理設(shè)置圈梁有助于增加軍用方艙的剛度和穩(wěn)定性。軍用方艙的地板可以采用含碳量小于0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼材料具有良好的機(jī)械性能，能夠有效的地提高軍用方艙的穩(wěn)定性與強(qiáng)度。

4 軍用方艙設(shè)計(jì)的有限元研究

4.1 有限元

在數(shù)學(xué)計(jì)算中的微積分中，常常利用有限元的方法求得偏微分方程解的近似值。有限元，顧名思義就是將整個(gè)偏微分方程圖形所概括的區(qū)域分成若干個(gè)小部分，每一個(gè)小部分都是有限元。隨著我國(guó)電子計(jì)算機(jī)的普及，有限元的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。作為一種較為精確科學(xué)的計(jì)算方式，有限元主要被應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)分析、熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等領(lǐng)域當(dāng)中。有限元計(jì)算的流程包括物理離散化、選擇位移模式、分析力學(xué)性質(zhì)、等效節(jié)力點(diǎn)四個(gè)步驟。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中，有限元被應(yīng)用于建模仿真，以此來(lái)判斷設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品是否符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)軍用方艙進(jìn)行有限元分析時(shí)的步驟為：選取方艙中的樣本、根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)建立模型、分析樣本的受力情況、利用高性能有限元處理器合理設(shè)置參數(shù)、使用有限元結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化軟件計(jì)算出結(jié)構(gòu)并分析數(shù)據(jù)。

4.2 根據(jù)軍用方艙的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立有限元模型

依據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)出的軍用方艙的結(jié)構(gòu)離散圖，以方艙的載荷和強(qiáng)度剛度需求為標(biāo)準(zhǔn)，將軍用方艙的工作分為三種情況：軍用方艙的底板承載情況、起吊情況、兩根滾杠在方艙上滾動(dòng)的情況。在建立軍用方艙的模型時(shí)，對(duì)一些不起作用的部位可以適當(dāng)忽略，模型中留下重點(diǎn)內(nèi)容?？梢詫⒎脚搩?nèi)的電源門(mén)與開(kāi)關(guān)門(mén)合二為一，更加便于后期的受力計(jì)算和分析。軍用方艙的夾層復(fù)合板中含有八種梁結(jié)構(gòu)，一種板結(jié)構(gòu)，可以將這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的對(duì)換，全部等效成為十五毫米的鋁結(jié)構(gòu)，再將方艙的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分。在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮精度和計(jì)算時(shí)間兩個(gè)方面。如果劃分的網(wǎng)格數(shù)量較多，雖會(huì)提高計(jì)算精度，卻增加了計(jì)算的難度;如果劃分的網(wǎng)格數(shù)量較少，計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，影響精度。在劃分時(shí)應(yīng)保證每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)和寬、翹曲角、雅克比例基本相等。一共將模型分成了8021個(gè)節(jié)點(diǎn)和14650個(gè)小單元。

建立軍用方艙滾杠時(shí)的工作情況：方艙的底板上與兩根滾杠的接觸點(diǎn)一共有六個(gè)，分別將這六個(gè)接觸點(diǎn)向三個(gè)坐標(biāo)軸的方向移動(dòng)，使軍用方艙受力均勻。

4.3 有限元計(jì)算與分析

軍用方艙的外部板主要以硬鋁合金板為材料，建立模型時(shí)對(duì)內(nèi)部的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料忽略不計(jì)。硬鋁合金板的彈性模量為70 MPa，泊松比為0.33，抗拉強(qiáng)度為460MPa，屈服強(qiáng)度是250MPa，冷軋鋼板的彈性模量為206MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度在375MPa-460MPa之間，屈服強(qiáng)度是235MPa。滾杠是軍用方艙中能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形用具，一般在運(yùn)輸重物時(shí)起車(chē)輪的作用。對(duì)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后得出，當(dāng)軍用方艙滿載（五噸載荷）時(shí)，在底板與滾杠的接觸部位產(chǎn)生了最大的應(yīng)力，這時(shí)的應(yīng)力值為226MPa，符合剛度與強(qiáng)度的需求。在模擬過(guò)程中產(chǎn)生的最大位移約為1.5毫米，由此可知方艙運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的變形量較小，安全系數(shù)為1.1，達(dá)到了強(qiáng)度要求。

4.4 利用有限元分析方艙的導(dǎo)熱性能

導(dǎo)熱性能的強(qiáng)弱用傳熱系數(shù)表示。軍用方艙的外表材料直接影響著傳熱系數(shù)。熱量總是由高溫向低溫方向傳遞。方艙在傳遞熱量的方式可分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。在方艙表面使用復(fù)合夾層板中具有隔熱材料，熱輻射由太陽(yáng)釋放出，在熱量經(jīng)過(guò)復(fù)合夾層板時(shí)，有一部分的熱量被隔熱材料隔絕了，最后剩下一小部分的熱量傳遞到軍用方艙的內(nèi)部。如果方艙的導(dǎo)熱能力較強(qiáng)，在炎熱的夏天室內(nèi)溫度較高，容易造成空間降溫資源的浪費(fèi)。如果使用隔熱性能強(qiáng)的材料，即使在炎熱的夏天，室外的溫度也不會(huì)過(guò)多的傳遞到室內(nèi)，所以說(shuō)使用隔熱性能較強(qiáng)的材料也能減少資源浪費(fèi)。傳熱系數(shù)可以用來(lái)衡量特定維護(hù)結(jié)構(gòu)（軍用方艙的表面墻體）的傳熱能力，傳熱系數(shù)與軍用方艙的隔熱性能息息相關(guān)。在計(jì)算軍用方艙的傳熱系數(shù)時(shí)可以采用有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算，在分析時(shí)可以對(duì)軍用方艙的內(nèi)外溫度進(jìn)行對(duì)比與測(cè)量，利用相關(guān)軟件分析不同的材料對(duì)方艙內(nèi)外溫度差的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

軍用方艙的設(shè)計(jì)有利于提高我國(guó)軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力，在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先對(duì)軍用方艙的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，然后研究軍用方艙的載荷、強(qiáng)度、剛度、導(dǎo)熱性能，利用有限元進(jìn)行的一系列計(jì)算最終得出，上述每種工作情況均符合國(guó)家規(guī)定，這種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了軍用方艙的剛度和強(qiáng)度，可以為日后軍用方艙的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新提供參考。

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