文_吕路 章琦 王新

特种方舱及承载平台结构有限元分析(1例)

文_吕路 章琦 王新

由于方舱结构的特殊性，在初始设计阶段对它进行试制和实验费用较高。为了研究某特种重载方舱的静力学特性，运用ANSYS有限元分析软件建立了方舱及其承载平台的整体结构等效有限元模型，并对舱体及其承载平台结构在特定工况下进行静力学模拟计算，得出其应力和应变状态。结果表明，该重载及其承载平台方舱最大应力值小于许用应力，且最大变形也完全符合要求，为同类方舱设计提供参考。

由于特种方舱结构比较复杂，而且此类方舱在使用过程中所处的环境要求也比较复杂，因此在研制阶段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。该特种方舱额定载荷非常大，且舱体四周及斜顶板上布置了大量通风门窗，同时舱体的设计刚强度必须满足吊装及运输的要求。因此针对此种特种重载方舱，利用有限元建模分析，通过分析得出设计结构的合理性及可靠性就显得尤为重要。

1 方舱及承载平台结构设计

1.1 方舱基本要求

方舱和车辆改造是为车载特种设备提供安装和运输平台，方舱通过方舱旋锁固定于承载平台上，承载平台与越野车辆为刚性连接固定，方舱既是车载特种设备的保护体也是其运输承载体(见图1)。该方舱外形尺寸为8 058 mm×2 438 mm×2 080 mm(见图2)，方舱舱体质量≤4 000 kg，方舱的额定装载质量为10 500 kg，承载平台自质量≤1 600 kg。为了满足冷却通风要求，方舱四周及斜顶板上设置了多扇门窗。

1.2 方舱骨架结构设计

舱体为削角异形大板方舱，舱体骨架分为前壁骨架、后壁骨架、左壁骨架、右壁骨架、顶壁骨架和底架等几大片(见图3)，除顶壁骨架采用60 mm×4 mm和40 mm×4 mm方钢管组焊成片，底壁骨架采用120 mm×60 mm×6 mm、80 mm×60 mm×6 mm的矩形钢管和60 mm×4 mm方钢管组焊成片外，其他骨架均采用80 mm×60 mm×6 mm的矩形钢管和60 mm×4 mm的方钢管组焊成片。拼舱时，将6只骨架按尺寸搭接好后，在其搭接处用弯角焊接牢固，再用内、外角铝在舱内外缝隙处带胶铆接。底架为整舱的主要预埋件集中区同时又是承载与吊装时的主要受力单元，因此将底壁设计为110 mm厚，且在方舱长度方向设置4根通长的纵梁。在方舱底面还布置有2组承重滑橇，滑撬与方舱底框做成一体，一方面减小方舱与底面的接触面积，另一方面也是对方舱底壁的进一步加强。底架是车载特种设备安装紧固件最集中的区域，所有预埋件都通过小梁或弯角件与主要受力的纵梁或横梁相连以保证设备安装后的承载能力。

1.3 承载平台结构设计

承载平台是方舱与汽车底盘间的过渡载体，既要承载来自方舱的的重量，也需考虑其与底盘接口的匹配性。装载平台由平台底架与花纹铝板等组成。平台底架由钢板折弯成各种构件后组焊而成(见图4)。装载平台上平面为方舱安装固定面，装载平台尾部为舱内特种设备水管绞盘安装空间，运输平台下部为汽车挡泥板、土木工具箱、活动车梯等安装空间。

表1 方舱骨架采用矩形钢管和方形钢管的材料属性

表2 承载平台骨架采用槽钢和方形钢管材料属性

2 方舱及承载平台结构有限元分析

在进行方舱设计时，必须考虑其具有足够的强度和刚度，同时在满足方舱装载要求下，尽可能降低成本，减轻自质量，设计出高性能的方舱。此外，由于方舱结构的特殊性，在设计和研制过程中样机试验难以进行，且费用较高。通过有限元分析软件进行模拟和仿真能优化设计结构，降低成本和缩短研发周期。

2.1 方舱及承载平台结构有限元模型的建立

方舱及承载平台的几何模型是从实际方舱及承载平台结构中抽象得来的，并不是完全按照方舱及承载平台的实际形状，而是根据其结构的某些特征对其结构进行必要的变化、简化和处理，以提高有限元分析结果的准确性和可靠性。本文分析的方舱及承载平台模型也是对实际形状进行一定处理简化后所得出的。

建立方舱有限元模型时，进行了如下假设。

(1)不考虑方舱骨架焊接处材料特性的变化，焊接处的材料特性与相邻结构件的材料性能相同；

(2)钢骨架为线弹性材料；

(3)各结构接触面之间具有足够的粘接强度，各接触处不会发生脱粘；

(4)方舱骨架及承载平台的变形为小变形；

(5)为降低计算分析的复杂度，未考虑防滑铺板对承载平台整体结构的影响，因此分析是偏于保守的。

本文仅分析方舱骨架及承载平台骨架的静力学特性，因此采用壳单元和梁单元来建立有限元模型，承载平台模型的建立方法同理。

2.2 方舱有限元模型的分析计算

本例分析主要考虑舱体骨架在受重力以及各设备载荷下的静力学特性，因此分析模式为Static。

舱体各个大板之间通过焊接、铆接和螺栓连接等方法形成一体，因此在有限元模型中，处理各个大板之间的结合面是很重要的环节。在舱体框架模型中利用Workbench自带的接触识别对各型材之间的接触面进行定义，接触类型为Bonded。Bonded法即绑定各零部件接合面焊接处节点自由度，法向不分离，切向不允许滑移，耦合接触节点的自由度。

2.2.1 方舱有限元模型网格划分

根据舱体模型大小以及网格规模，对模型进行材料属性设置和有限元网格划分。划分时全部采用3D实体单元，得到单元数目为41万7 157个，节点数目为91万1 125个。

2.2.2 材料参数

方舱骨架采用矩形钢管和方形钢管焊接而成，材料属性见表1所示。

2.2.3 静力学分析

本例分析时分2种工况：吊装状态和落地状态，对舱体的刚强度进行校核计算。吊装状态分析时对舱体底板4个角件处的竖直方向位移进行约束；落地状态下对舱体滑撬竖直方向位移进行约束。

在Workbench平台中，对上述模型进行分析计算，吊装状态下对应的位移云图和应力云图如图5、6所示，落地状态下对应的位移云图和应力云图如图7、8所示。

吊装工况下，最大应力(219.87 MPa)出现在角件附近，是个应力奇异点；角件附近局部最大应力约为150 MPa，可在角件与梁的连接处加强焊缝或者布置加强筋增加系统刚强度，最大位移(7.24 mm)出现在底板中部。

落地状态下，最大应力(128.62 MPa)出现在后端板绞盘安装位置附近；最大位移(1.31 mm)出现在顶板中部。

从静力分析计算结果来看，舱体骨架钢材最大应力约为150 MPa(材料Q235，屈服极限235 MPa)，参照1.3倍安全系数，该骨架结构设计完全满足承载条件下的使用要求；舱体骨架最大静饶度为7.24 mm，保守估算下满足设计中地板变形不超过10 mm的要求。

2.3 承载平台有限元模型的分析计算2.3.1 承载平台有限元模型网格划分

对模型进行材料属性设置和有限元网格划分。划分时全部采用3D实体单元。其中模型单元数33万7 778个，节点数68万394个。

2.3.2 材料参数

承载平台骨架采用槽钢和方形钢管焊接而成，材料属性见表2所示。

2.3.3 静力学分析

本次分析主要考虑平台框架在受重力以及整舱压载下的静力学特性。因此分析模式为Static。

在平台框架模型中利用Workbench自带的接触识别对各型材之间的接触面进行定义，接触类型为Bonded。Bonded法即绑定各零部件接合面焊接处节点自由度，法向不分离，切向不允许滑移，耦合接触节点的自由度。

分析时约束平台框架底面与载车大梁接触面竖直方向的位移。载荷按照整舱及设备总质量的1.5倍进行加载，即加载24 t。

承载平台应力分布云图和位移分布云图见图9、10所示。

由图9、10得知，最大应力为150.37 MPa，最大位移1 mm。承载平台材料的屈服强度为235 MPa。因此，整个平台框架安全系数为1.56，符合设计要求。

3 方舱吊装和底板静挠度试验

该特种方舱制造完成后，进行了吊装和底板静挠度试验，分别检验方舱舱体的强度和刚度性能，试验见图11、12。加载试验中，舱体底板上施加的载荷为实际方舱额定载荷的1.5倍，以模拟起吊时的瞬间过载情形。吊装15 min后，没有出现舱门打不开以及密封件或密封部位开裂脱落等现象。试验证明舱体强度满足使用要求。

静挠度试验测量在吊装状态下方舱底板静挠度变形，得到的舱体实际最大变形为7 mm。实际测得静挠度与有限元模拟仿真计算出的静挠度变形比较接近，可见该有限元计算方法具有一定的准确性。

4 结语

综上所述，在吊装状态及落地状态2种工况下，方舱骨架最大位移均符合方舱的设计要求；方舱骨架的最大应力为150 MPa，小于Q235钢型材的屈服极限。随后的静扰度及吊装试验结果也符合方舱设计要求，因此方舱的设计满足设备使用强度和刚度要求。同时在加载额定载荷1.5倍的工况下，承载平台的最大应力和最大变形量均符合设计要求，因此承载平台的结构设计能满足承载方舱及舱内设备的强度和刚度的要求。

该研究为有限元方法在方舱设计中的强度校核、结构优化和改进设计的运用提供了一定的参考。

(注：本文第一与第二作者单位系中国电子科技集团公司第二十八研究所，第三作者单位系中国人民解放军91202部队34分队。)

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