某型方艙的有限元分析

王 鐵 徐婧雨

（沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧 沈陽110159）

0 引言

方艙起源于美國，最早出現在20世紀50年代的美軍軍事裝備當中。它是一種特殊的汽車車廂，是用各種堅固材料有機地組合在一起，形成的方便、可移動的整體。作為一種移動箱式工作間，具有一定的強度、剛度和使用壽命，并以其良好的防護能力、密封性能、運輸靈活性廣泛應用于技術勤務、工程現場、指揮中心、武器系統以及野戰醫療等方面。因此，方艙以其靈活的轉移性、可靠的電磁兼容性、良好的氣密性和保溫性等優良的特點在我國國民經濟中各個重要領域得到廣泛的應用[1]。隨著時代的發展和進步，方艙已經悄然地成為軍用武器裝備和民用運輸工具的主要載體。尤其在軍事領域，軍事技術的迅速提升使得國家對軍用方艙的結構性能的要求越來越高，高性能的方艙結構成為方艙設計的重心[2]。

隨著計算機的迅猛發展，有限元技術逐漸成為一種穩定的、可靠的近似數值計算方法，在設計過程中成為行之有效的工程手段[3]。本文利用有限元技術對某型方艙的進行分析和計算，根據方艙的材料性能判斷方艙結構的合理性。選取三點支撐工況作為研究背景，該工況能較好地確定方艙的承載能力[4]，契合實際且具有研究價值。

1 有限元模型的建立和分析

本文研究的方艙屬于標準方艙。方艙主要由前后左右側板，頂板和底板組成，鋁板作為內外蒙皮，鋼骨架之間用埋板固定艙內設備。方艙的結構復雜，某些結構件對方艙整體的應力及形變的影響很小，卻會降低計算機的計算效率。

方艙的組成部件多而復雜，某些結構部件對整個方艙的應力及形變的影響非常小，但是卻會很大程度上影響計算機對相關問題求解和建模的復雜程度。所以在對方艙研究之前，我們在建模階段需要對方艙的模型進行簡化。本文在不影響計算精確度的基礎上，需對模型進行簡化，假設如下：1）方艙骨架通過焊接而成一體，焊接處的材料性能可以認為與相鄰結構件材料性能相同；2）方艙發生的變形是小變形，蒙皮和夾芯之間是不存在相對滑動的，各個結構部件相互結構，接觸面的粘結強度足夠，不會發生分離、脫粘現象；3）方艙各結構件通過螺栓、鉚釘連接，這些連接件需進行接觸、擠壓等非線性的求解才可以得知其受力和傳力的情況。而方艙本身屬于大型結構，以上連接件多而復雜，對其進行求解不現實，本文可以簡化；（4）方艙夾層中的隔熱木板、各種孔、及其包邊都可以忽略，不考慮其對方艙剛度和強度的影響；5）忽略角件，即三塊方艙大板相交的夾角，可用來連接這三塊大板。同時兩個大板側面梁的連接，可以將其等效成1條梁[5]。

根據方艙建模的假設建立方艙的幾何模型，賦予材料屬性，劃分有網格。方艙骨架和滑橇材料使用結構鋼，蒙皮材料使用鋁合金，軟件材料庫可直接調用。最終劃分的有限元網格節點853405個，單元56877個。在有限元模型劃分網格之后，需要對所劃分的網格進行質量檢驗，也即需要檢查網格幾何形狀的合理性。網格質量的好壞將會直接影響計算的準確性。在ANSYS中Meshing網格設置里，在“Details of Mesh”參數設置面板Statistics中可以對劃分的網格進行統計和質量評估。本文從兩個方面對有限元網格質量進行檢驗，首先是Element Quality（單元質量），即選擇單元質量之后，此時在信息欄中會出現Mesh Meric窗口，從窗口內顯示的網格質量劃分圖表可知，Element Quality圖表中的值越接近于1，說明網格質量就越好。圖中確實絕大部分數量的網格都靠近1，網格質量較。然后是Warping Factor（扭曲系數）指標，該指標主要是用于計算或者評估四邊形殼單元、含有四邊形面的塊單元楔形單元及金字塔單元等，高扭曲系數表明單元控制方程不能很好地控制單元，需要重新劃分。選擇此項之后，此時在信息欄中會出現Mesh Metric窗口，窗口中同樣可以看出大部分單元的扭曲系數都靠近0，高扭曲系數的單元數量非常少，因此可見單元劃分的質量較好。因此本文有限元模型單元質量良好適宜做以下的有限元分析。

方艙選擇三點支撐工況，按照有關技術文件[6]規定，在方艙內部均勻加載。模擬時限制方艙頂板三角，懸空一角。最終產生的最大變形在底板內蒙皮上，最大變形為1.6678mm，符合標準[7]，剛度滿足要求。而方艙的應力底板懸空點，最大應力發生圖中紅色標記處，最大應力值為90.357MPa，遠遠小于鋁板的屈服極限，具體的云圖如圖1，因此方艙的強度滿足要求。

2 結束語

本文研究的是某型方艙的結構合理性，對某型號方艙首先根據根據實際尺寸和廠家提供的數據，對方艙建立三維幾何模型，再將其導入ANSYS中賦予方艙各部分材料的屬性、劃分有限元網格得到有限元模型，最終根據實際工況模擬載荷和約束進行有限元分析。最終分析結果表明，本文設計的方艙強度滿足要求，且有很大的強度富余。變形很小，實際情況中甚至可忽略不計。因此本文方艙的結構合理。

［1］王良模，吳長風，王晨至.某特種車輛方艙結構的有限元模態分析[J].機械設計與制造，2008（11）.

［2］姜穎資，李培林，王崴，趙兵.緊急制動工況下某型削角方艙結構有限元分析[J].機床與液壓，2008.

［3］杜子學，楊百嶺，桑文波.某特種運載方艙車廂的結構優化[J].北京汽車，2012.

［4］GJB2093-94軍用方艙通用試驗方法[S].國防科學技術工業委員會批準，1994.

［5］池振坤，楊俊智，周強，牟偉杰.基于ANSYS Workbench的大板式方艙模態分析[J].汽車工程學報，2011(1).

［6］GJB6109-2007軍用方艙通用規范[S].中國人民解放軍總裝備部批準，2007.

［7］SJ20379-1993 CAF60PD集裝箱方艙規范[S].中國人民共和國電子工業部批準，1993.