一种铝合金信息舱体结构设计

2021-02-23孙国立

有色金属加工 2021年1期

孙国立

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

方舱起源于美国，最初用于军用，随着技术进步方舱的应用不局限于军用，在民用领域也得到了广泛应用，比如医疗、通信、航天、环境监测等领域都有着成熟的产品。方舱具有良好的机动性，可以设计成与目前市场上各类厢车底盘相匹配的产品，通过各类汽车的搭载、牵引进行运输，也可进行空运、航运、悬吊和火车运输，不论是长途调配还是局部移动都可以机动快速的完成布置，节省时间，提升工作效率[1-2]。方舱环境适应性强，能有效的对人员和设备进行保护，在恶劣环境下，各类仪器往往无法正常运行，人员无法实现作业，将人员和设备至于方舱内可以实现对外界恶劣环境的屏蔽[3-4]。方舱使用寿命长，维护成本低，可拆卸及改装循环利用，对比其他方式的营地建设成本低[5]。另外方舱的运用对于工作模块化、通用化效率的提升有一定的促进作用。随着技术的发展进步，方舱的应用将更广泛，个性化定制的需求也将不断增加。

在上述背景下，研发设计了一种新型信息舱，利用装载的卫星通讯系统实现远程指挥功能。信息舱主要组成系统包括：舱体结构、配电系统、卫星通讯系统、安防系统、本地控制管理系统、物联网环境监测系统、呈现系统、空调系统等。舱体结构包括舱体铝结构和内饰系统两部分。舱体铝结构采用大断面铝合金挤压型材整体焊接承载结构，由底架、侧墙、顶棚和端墙等模块组成，具有强度高、刚度高和轻量化水平高的优点，能够承受起吊、运输过程中的载荷。内饰系统内壁选用环保玻璃钢材料，地板采用铝蜂窝板加防滑PVC地板布结构，办公用品以铝合金材料为主，整个内饰设计美观大方，安装方便牢固。

1 信息舱基本技术参数

信息舱舱体结构如图1所示。舱体长度6058mm；舱体宽度2063mm；舱体高度2591mm；舱内客室净高度2100mm；舱门净开度800；端部设备检修门净开度1500；舱体传热系数1.44W/m2·K；舱体结构重量1.4t。

图1 信息舱舱体结构

2 舱体铝结构

2.1 舱体铝结构材料

铝合金材料以其重量轻、耐腐蚀性高、易于焊接和具有抗拉及屈服强度高等优点成为信息舱体结构的理想材料。舱体铝结构材料主要采用6xxx系列时效硬化型铝合金型材及板材。其中底架、车顶、侧墙均采用大型断面铝合金挤压型材制造，材质为 EN AW-6005A-T6；端墙采用板、梁结构制造，板材材质为EN AW-6082-T6(51)。所用型材、板材材质化学成分满足EN573-3或者GB/T 3190标准(表1)。结构用型材及板材的力学性能分别满足EN755-2，EN485-2标准(表2和表3)。舱体铝结构所用材料明细见表4。

表1 化学成分(质量分数，%)

表2 型材力学性能

表3 板材力学性能

表4 舱体铝结构部件所用材料明细

2.2 舱体铝结构主要组成部件

舱体铝结构由底架、侧墙、顶棚、端墙等整体模块部件焊接组成(图2)，各模块采用中空大断面挤压铝型材拼接结构，底架模块与侧墙模块、侧墙模块与顶棚模块之间设计成插接结构。型材之间焊缝均为长直焊缝，都可以使用自动化焊接设备，机械化程度高。舱体铝结构能够承受自重、设备、人员的垂向载荷，也能承受起吊运输过程中扭转、牵引力、横向力、制动力等载荷，结构具有足够的刚度和强度，在使用期限内不发生永久变形。

图2 舱体铝结构

2.2.1 底架结构

底架结构是舱体结构中重要承载部分，不仅要承受舱内设备和人员的重量，同时传递运输过程中的牵引力和制动力并承受弯曲、扭转的各种复杂载荷，因此其结构设计的是否合理直接影响整个舱体的强度。底架结构采用两根通长铝型材底架边梁贯穿底架两侧，与通长底架地板型材搭接组焊。底架两端是铝型材端梁，分别与底架边梁和底架地板型材焊接。底架四端角设置角孔，角孔开孔尺寸与标准角件相同，能够满足挂车锁体结构锁紧要求。底架边梁下方加工有叉车位，叉车位区域用叉车位补强板加强。门区底架边梁加工去掉高出地板型材部分，门口处还设有排水孔，能有效排出雨水和清洗打扫后的废水，底架断面结构见图3。

2.2.2 侧墙结构

侧墙结构由5块侧墙型材对接组焊而成，具有结构简单，强度高、刚度高，自身重量轻的优点。侧墙分左、右侧墙，一侧侧墙加工门口，门口设置门立柱，门立柱下方位置和底架边梁焊接，两侧和上方位置与侧墙型材焊接。另外一侧侧墙加工窗口，用于安装窗户。门角、窗角采用圆弧结构，可以有效避免应力集中。侧墙上下型材设计成插口结构，能与底架边梁和顶棚侧顶型材插口配合焊接，舱体高度通过调整侧墙与顶棚侧顶型材插接深度进行调整。侧墙断面结构见图4。

图3 底架断面结构

图4 侧墙断面结构

2.2.3 顶棚结构

顶棚结构由2块侧顶型材和5块中顶型材焊接而成。顶棚上方焊有滑槽和安装座，用于安装卫星天线、风力发电、全景摄像头等设备。顶棚四角设置起吊孔，起吊孔区域通过顶棚吊点补强板加强，能够满足起吊强度要求。顶棚断面结构见图5

图5 顶棚断面结构

2.2.4 端墙结构

端墙结构采用板、梁焊接结构，由立柱、加强梁及铝蒙皮组焊而成。端墙与顶棚、侧墙、底架组焊构成整个舱体铝结构。两端端墙结构不同，一端中间为门口结构，门口焊有门立柱和上门框用于安装设备检修门。另一端在蒙皮外侧焊有空调室外机安装结构。

3 内饰系统

舱体内饰系统主要由侧墙板、侧顶板、中顶板、端墙板、地板、LED灯带、侧窗、舱门、铝合金办公设施等部分组成。内饰设计采取减少可见紧固件，分块分缝一致，美观大方，色调协调、明快、柔和，具有现代气息。内饰墙板材料选用玻璃钢材料，表面油漆满足DIN 5510标准规定防火和安全要求。内饰墙板、地板与铝结构之间设有防寒隔音材料，主要材料为矿物棉板(在34℃时，热传导系数为0.036 W/m·K)，防寒材不含石棉等有害物质。侧顶板上布有LED灯带，灯带下方设有检修孔。地板采用铝蜂窝地板，结构由铝型材、上下铝面板、铝蜂窝夹芯等组成。铝蜂窝地板上方为PVC地板布，PVC地板布采用乙烯基防滑面材，面材中加有金刚砂颗粒或云母粒，内部采用无纺玻璃纤维网格布加强材料。侧窗为单元组合式固定窗，主要由铝框、窗玻璃和密封胶等部分组成，窗玻璃采用双层安全中空玻璃，其结构为5mm绿玻(外片)+9mm中空层+5mm白玻(内层)，总厚度为19mm，可见光透射率>70%。舱门门板采用铝板，中间为铝蜂窝和型材框架，采用真空粘接技术粘接而成。舱内还配置铝合金指挥台、文件柜、铝合金沙盘桌、座椅等办公设施。内饰系统见图6。

图6 内饰系统

4 有限元分析

利用有限元分析的方法对铝合金信息舱结构强度进行分析验证，叉起与垂直总载荷工况应力云图如图7所示。方舱结构主要通过焊接而成，建立有限元模型时通过刚性单元来模拟各个型材之间的连接关系。采用仿真软件中的壳单元进行网格的划分，使方舱结构离散化，遵循“均匀应力区粗化，应力梯度区细化”的网格划分原则，并对结构强度影响较小的装配孔、倒角的细小特征进行简化处理。载荷为舱体自身重量1.4t，设备和人员重量1.8t。电机柜区域集中加载1t载荷，其余均布载荷。计算工况分别为垂直总载荷工况、60°起吊与垂直总载荷组合工况、叉起与垂直总载荷组工况和三点支撑工况。通过应力分布云图，最大应力发生在叉起与垂直总载荷组合工况，位于补强板非焊缝区，应力最大值为132.6MPa，远低于母材屈服强度。分析结果表明信息舱舱体结构布局与材料选择有针对性，设计科学合理。