基于有限元的某型方舱结构力学分析(参赛2013)

上传者：刘桂琴
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上传时间：2015-05-11
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基于有限元的某型方舱结构力学分析(参赛2013)

○六一基地第六届工程类科技论文比赛参赛论文

基于有限元的某型方舱结构力学分析

申报类别：其他科技类

完成人：张波王海军

苏州江南航天机电工业有限公司

二○一三年六月

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基于有限元的某型方舱结构力学分析

张波王海军

(苏州江南航天机电工业有限公司)

摘要：方舱是一种有一定防护能力的、可运输的箱式工作间，可作为设备运转、人员工作和生活的场所。方舱应具有一定的强度和刚度。本文利用ANSYS软件建立了某型方舱舱体骨架的三维模型，并对其进行了有限元分析。分析结果表明舱体的强度和刚度均满足要求，为同类产品的开发提供了依据。

主题词：方舱、强度、刚度、有限元

1 引言

大板方舱是由骨架、蒙皮、隔热板和聚氨酯泡沫组成的具有一定防护能力的、可运输的箱式工作间。方舱应具有一定的强度和刚度。在设计过程很难用传统力学方法或板梁理论来分析其受力状态，通过试制样件的办法来试验其强度和刚度又要耗费大量的人力物力，也会大大增加产品研制的周期和成本。随着计算机技术的发展，利用有限元分析软件建立舱体的有限元模型，分析其强度和刚度。可大大节省舱体研制的时间，节约研制成本。本文分析了某型方舱舱体骨架在工作状态、公路运输状态、铁路运输状态、吊装状态的受力情况，得到舱体骨架的强度和刚度，分析结果表明舱体设计满足要求。 [2][1]

2 力学性能指标及结构设计

2.1 舱体结构

方舱的最大外形尺寸为10800mm×2800mm×3350mm；舱体质量小于等于6500kg；方舱顶部安装一部3.5t的天线，天线一端铰接在舱体顶板后端，在舱体中部安装有举升油缸。为保证天线及舱体内其他上装设备不被损坏，舱体结构在工作状态、公路运输状态、铁路运输状态以及吊装状态所受的最大应力必须小于材料的屈服强度；舱体的最大位移量不得超过5mm。

2.2 舱体组成材料及其特性

方舱舱体采用泡沫大板拼接而成，泡沫大板由骨架、聚氨酯泡沫以及内外蒙皮组成。大板骨架由Q345钢型材焊接而成，聚氨酯泡沫密度为60 kg/m3，内外蒙皮为1.2 mm厚的硬 1

铝合金5052-H34。Q345的材料特性参数如下：

弹性模量：E=2×1011 Pa；

泊松比：μ=0.33；

材料密度：ρ=7800kg/m3；

屈服强度：345MPa。

2.3 舱体有限元模型

泡沫大板是由骨架、聚氨酯泡沫以及内外蒙皮用大板胶粘接压制而成，主要影响舱体的结构力学性能的是骨架的结构力学性能。由于建立骨架、聚氨酯泡沫、蒙皮复合模型比较困难，计算时需耗费较多的计算机资源，计算结果的准确性并不高，因此建模时需适当的简化模型，只建立方舱舱体骨架的有限元模型来分析舱体的受力情况。由于大板中的聚氨酯泡沫和蒙皮可以增强方舱骨架的刚度和强度，若骨架模型能够满足刚度性能指标，可认为方舱满足要求的性能指标。利用Pro/E软件建立舱体骨架三维实体模型，将骨架模型导入ANSYS软件。规定车辆前进方向为X方向，舱体的左右方向为Y方向，舱体的垂直方向为Z方向。方舱舱体骨架有限元模型见图1。

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图 1 舱体骨架有限元模型

3 舱体骨架有限元分析

3.1 边界条件

舱体在工作状态受到舱体自身重力G、支撑油缸的反作用力，回转支撑点的反作用力等的共同作用，舱体在工作状态的受力情况见图2。

图 2 工作状态舱体受力图

舱体在公路运输时在舱体前部底板上安装有两个固定支撑，并受到预紧力P；在舱后部安装有一个固定支撑；由于路面颠簸，舱体受到水平惯性力F1，垂直惯性力Q1，以及自身重力G的作用。舱体在公路运输状态的受力情况见图3。

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图 3 舱体公路运输状态受力图

铁路运输时，舱体下垫有方木，再用钢丝绳通过回转舱体左右侧板上的四个固定连接件将回转舱体固定在铁路平板车上，舱体受到水平惯性力F2，垂直惯性力Q2，以及自身重力G的作用，舱体在铁路运输状态的受力情况见图4。

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图 4 舱体铁路运输状态受力图