大型试验方舱结构有限元分析

2011-05-01周世新

上海第二工业大学学报 2011年2期

周世新

(中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039)

0 引言

方舱是一个特殊的空间。在工程抢险、管道维修、医疗保障、生活储备、供电和军队作战等特殊环境下，方舱以其灵活的转移性、可靠的电磁兼容性、良好的气密性和保温性等特点在国民经济各重要领域中得到广泛应用[1]。方舱的结构大致分为骨架式和大板式[2]。由于方舱结构复杂——它是由蒙皮、骨架和聚氨酯泡沫夹层等组成的复合结构，而且方舱在使用过程中所处的环境要求也较为复杂，因此在研制阶段采用传统方式很难计算方舱的受力状态，而这一点在方舱结构设计阶段显得至关重要。

随着电子计算机的迅猛发展，有限元分析技术在军用方舱的设计，尤其是在非标、异性、扩展等方舱的结构稳定性分析方面得到了广泛的应用，取得了显著的成效[3-6]。

本文针对某大型方舱的结构模型，利用专业的前处理程序 Hypermesh建立有限元分析模型，包括有限元网格的划分，单元类型的选择、厚度和材料参数的定义，然后通过 Hypermesh软件的接口直接输出为ANSYS的 db文件，在 ANSYS软件中进行边界条件和载荷的施加。数值分析过程及后处理在有限元软件ANSYS-v11中完成。

1 方舱的结构设计及载荷要求

根据方舱的自重要求，结合工厂生产工艺装备的特点，方舱采用骨架式结构，分为底座和舱室（上下两层），其骨架见图1(a)，外观结构见图1(b)。方舱底座采用Q345B，内外蒙皮为双层各0.5 mm厚彩钢板，骨架采用Q235B。要求舱体在强风、摇摆时工作刚强度符合要求，承载后符合吊装的要求。

2 方舱有限元模型

2.1 有限元模型的建立

由于试验舱在装配时采用焊接或者铆接方式进行各部件之间的连接，最后形成一个整体，故在建立有限元模型时，各部件之间的连接是采用共节点的方法模拟装配中的焊接工艺。为了载荷施加便利、方便局部应力和变形分析，整个模型采用壳单元进行划分。模型中主要采用四节点壳单元，局部过渡区域采用少量的三节点壳单元使载荷的传递与网格方向一致。模型中节点数为210363，单元数为208483。

2.2 边界条件

试验舱强度校核时分为两种不同的工况：正常工作和吊装工况。正常工作时，考虑到试验舱在底部与其他结构相连，分析时要对该区域进行六个方向全约束；在进行吊装时，整体试验舱的重力主要由安装在舱体底部的支撑位置进行平衡，因此在进行试验舱吊装时，要在底板下六个主要横梁的边缘进行垂直方向的约束，为了避免计算时出现刚体位移，其中一个支撑位置须同时在两个水平方向进行固定。

2.3 方舱组成材料的特征参数

方舱底座采用Q345B，内外蒙皮为双层各0.5 mm厚的彩钢板，骨架采用Q235B。模拟所用材料参数见表1。

表1 方舱组成材料的特性参数Tab.1 Property parameters of the materials used on the shelter

2.4 载荷施加

试验方舱的载荷包括：(1) 舱自重；(2) 舱内设备对底座的载荷；(3) 舱壁上设备对舱体的载荷；(4) 风载荷；(5) 舱体旋转时的惯性力。

采用设置舱体材料密度和重力加速度来施加舱自重；舱内设备加载时，将设备的重力均布施加在设备安装的导轨上；舱壁上设备加载时，将整个重力均布施加在设备与试验舱连接的节点上；风压采用塔式结构的等效风压公式：

式中，q0为基本风压值，单位为Pa，

其中，ρ为当地空气密度，单位为kg/m3, v为风速，单位为m/s。f是与风压高度变化系数、体型系数、塔体设备的有效直径等参数相关的变量，这里取f=1.0。因此不同风速下的风压力为

极限风速及分压分别为

计算时，根据天线阵面的面积，由P=pS得到总的风力，考虑天线阵面与舱体之间的接触，将总风压均布施加在与之相关的节点上；试验舱在一定的角加速度转动下的惯性力会对结构强度产生影响，分析时，可利用软件的功能直接施加加速度载荷进行仿真。

3 计算结果及分析

由于设备在安装及工作时可能存在三种恶劣工况：(1) 吊装无风工况；(2) 工作时无摇摆，最大风速为35 m/s；(3) 工作时有摇摆，最大风速为35 m/s。因此，须针对以上三种工况对方舱应力及变形进行求解。

3.1 无摇摆，风速35 m/s的工况

(1) 原始模型

在满载无摇摆、强风下，计算得到该工作状态下天线舱的整体等效应力分布云图如图 2所示。试验方舱整体应力最大值出现在底座工字梁腹板开孔边缘位置，应力值为277.263 MPa，如图3所示。这是由于此处开孔使得壁厚发生突变，产生应力集中，满足强度要求。下端支架六个牛腿的根部位置受拉应力的作用，该处应力值为156.651 MPa，如图4所示。这是整个结构设计中需要考虑的重要部位，故在下文的分析中针对各工况，主要应讨论该位置的应力特性。天线阵面加载点周围应力值大约在90 MPa左右，因此，在该工况下结构满足强度设计的要求。

图2 整体应力分布云图Fig.2 Overall stress distribution cloud-map

图3 底座腹板孔边周围应力分布云图Fig.3 Stress distribution cloud-map around the hole of main beam-to-column

图4 底座腹板孔边周围应力分布云图Fig.4 Stress distribution cloud-map around the hole of main beam-to-column

计算得到整体天线舱的变形分布云图如图 5所示。从变形云图中可以看到，试验方舱整体的变形相对较小，位移最大位置出现在平行于X轴的右侧固定框架处，该处由于受到风载作用，最大变形值为8.587 mm。

图5 整体变形分布云图Fig.5 Overall deformation distribution cloud-map

(2) 优化模型

从上述分析中可以看到：虽然试验方舱整体结构刚度、强度满足设计使用要求，但是由于牛腿工字梁腹板开孔边缘的壁厚发生突变，产生较大的应力集中。因此在原模型基础上，对牛腿工字梁腹板开孔处进行设计优化，增大开孔边缘与壁板距离，重新校核模型的刚度和强度，计算得到优化后试验方舱整体应力最大值仍出现在牛腿工字梁腹板开孔边缘位置，如图6所示，但其大小已由原来的277.263 MPa减小为196.445 Mpa；牛腿根部位置应力值没有显著变化，仍为152 Mpa左右。试验方舱整体的变形最大值由原来的8.567 mm减小到8.492 mm。