基于ANSYS Workbench的某弹药储运方舱支撑件力学分析

王维，宣兆龙，段志强，程泽，张晓艺，黄钰明

(1.军械工程学院，石家庄050003;2.72478部队，济南250310; 3.68065部队，甘肃武威733200;4.73833部队，福州350003)

弹药储运方舱是针对我军弹药技术特点及作战运用实际设计的新型集装单元［1］，为了集装、固定药筒和引信，防止在装卸和运输过程中发生碰撞，同时为了存取方便，采用支撑件放置药筒和引信。由于药筒的筒壁较薄，只有0.7～2 mm［2］，受到压力后很容易变形，影响其作战效能，同样引信也不能受到压力，因此，支撑件不仅要限制药筒、引信的运动，还要支撑其重量，避免底层药筒、引信支撑上部药筒和引信的重量。由于其结构和受力情况较为复杂，用传统的力学分析方法或工程板梁理论来分析支撑件的受力状态较为困难［3］，所以需要应用有限元分析软件进行力学分析、验证支撑件的受力及变形情况，以判断该结构设计是否满足强度和刚度的要求。

1 支撑件构成

文中以某储运方舱为例，支撑件固定在该弹药储运方舱的中间部位。舱体为“工”字型结构，有利于提高方舱舱体的强度［4］，其结构关系如图1所示。药筒和引信在支撑件中采用的是横装方式，分为4层，每层放置3个药筒、3个引信，为了方便取放弹药，方舱设计成前后两侧开门，其中6个药筒、6个引信从前侧取放，其余的从后侧取放。为了固定药筒和引信，在支撑件中设置药筒和引信限位孔。由于支撑件的体积较大，为了减轻质量，在设计支撑件材料时，选择密度较小的硬质聚氨酯泡沫，而且硬质聚氨酯泡沫还具有保温性能好、尺寸稳定性好、易注塑成形和一定的防火能力等特点［5］。

图1 弹药储运方舱示意Fig.1 Sketch figure for the ammunition storage and transportation shelter

2 有限元模型的建立

2.1 建立几何模型

有限元模型的建模精度对于分析结果的影响很大，模型的好坏甚至决定了分析结果的应用价值［6］。可以采用 ANSYS Workbench中的 Design-Modeler工具直接建模，也可以采用从外部导入几何体的方式［7］，本文选择后一种建模方式。首先在软件SolidWorks设计三维模型，然后导入到ANSYS Workbench中，由于支撑件采用整体注塑成形，结构较为规则，不需要进行简化处理。

2.2 有限元网格划分

有限元网格数目过少，容易产生畸变，并影响计算精度。细划网格可以使结果更精确，但是会增加CPU计算时间和需要更大的存储空间［8］。根据实体模型的大小及考虑网格规模，取单元大小为20 mm进行划分。

六面体网格可以减少单元数量，加快求解收敛，可以提高分析精度，减少数值错误［9］，对质量好的几何模型应首选六面体网格划分。本文采用六面体网络划分法划分网格后的有限元模型如图2所示。划分网格后生成220 765个节点，57 663个单元。

图2 支撑件模型网格划分Fig.2 Meshing of the supportmodel

2.3 材料参数

硬质聚氨酯的主要参数:密度为40 kg/m3;弹性模量为10 MPa;泊松比为0.3;压缩强度极限为0.4 MPa;拉伸强度极限为0.6 MPa［10］。

3 静刚度、强度分析

3.1 载荷及约束处理

采用横装交叉方式放置药筒和引信，作用在支撑件上的载荷主要由药筒、引信和支撑件的重力产生。药筒作用在支撑件上的载荷并不是均布载荷，重心靠近药筒底部，为了便于计算，简化为均布载荷作用于药筒限位孔内。由于药筒是圆柱形，加载时选用轴承载荷(Bearing Load)，软件中采用的计算方法是根据径向分量的投影面积来分布压力载荷的。根据强度设计准则，需要的安全系数为 1.7～2.0［11］，药筒重量G1=m1g=156.96 N。为安全起见，取2.0作为安全系数，则加载在药筒限位孔的载荷F1=2.0×G1=313.92 N。引信重量G2=m2g= 9.81 N，同理加载在引信限位孔的载荷F2=2.0×G2= 19.62 N。支撑件的重量G3=m3g=128.51 N。支撑件加载重力时，选择施加竖直向下的重力加速度。

为保持弹药储运方舱内支撑件的位置固定，需要将两侧面及底面与蒙皮相连接。为了简化约束条件，假设与蒙皮相连接的部分固定，则约束条件为加载两侧面及底面固定约束(Fixed Support)。

3.2 有限元分析结果

在设计树中加入所要求的结果，要求应力(Stress)云图和形变(Deformation)云图，应用ANSYSWorkbench进行仿真计算。

3.2.1 应力分析

支撑件的应力分析结果如图3所示，最大应力发生在底侧药筒支撑部分，最大应力值为2633.7 Pa，远远小于材料强度极限，满足材料的强度极限。

3.2.2 变形分析

变形分析结果如图4所示，最大变形发生在最上侧中间部分，最大变形量为5.6847×10-5m。在设计时为了便于药筒、引信放置，圆孔直径比药筒、引信直径大2 mm，所以最大变形远远小于2 mm，满足强度要求。

图3 支撑件应力Fig.3 Stress nephogram of the support

图4 支撑件形变Fig.4 Deformation nephogram of the support

4 模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型［12］。模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性(即固有频率和振型)，固有频率和振型是承受动载荷机构设计中的重要参数［13］。通过仿真可以得到支撑件固有的振动特性即固有频率和振型［14］，在此基础上，可以进一步分析支撑件在各种动态激励下的响应。在结构的动态分析中，各阶模态所具有的权因子大小与该模态频率的倒数成反比，即频率越低，权重越大，就是说低阶模态特性基本决定了产品的动态性能［15］。

该支撑件涉及到的动力学主要是在运输及装卸过程中，所以需要分析在放置药筒、引信情况下支撑件的模态，需要计算时加载预应力及约束条件。文中计算了前6阶固有模态，前6阶模态振型如图5所示，在预应力作用下的固有频率和振型见表1。

表1 支撑件前6阶模态频率振型表Table 1 The preceding 6 ordered inherent frequencies and vibration modes

图5 模态振型Fig.5 Ordermodal vibrationmodes

5 结论

文中应用有限元软件ANSYSWorkbench分析建立了支撑件的有限元模型，分别进行了静态刚度、强度分析和动态的模态分析。结果表明，在最大载荷工况下，支撑件的最大应力值远小于材料强度极限，最大变形不超过2 mm，满足结构的刚强度要求。振动形式有弯曲振动和扭曲振动，振幅较大区域集中于顶侧中部及第1、第2、第3层中部区域;振动的前6阶频率集中在117.5～286.7 Hz之间，为下一步进行瞬态动力学分析、随机振动分析奠定了基础。

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