基于有限元仿真計算的低壓環(huán)境艙強度分析

王云開++趙海山++李健

摘 要：低壓環(huán)境倉用于模擬不同溫度、濕度下低壓環(huán)境，其殼體作為骨架，是承受大氣壓力的主要部件。該文針對最大壓力差條件下，利用美國航空航天NASTRAN有限元軟件進行強度、剛度及變形分析，為設計和加工提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：低壓環(huán)境艙 有限元 仿真分析

中圖分類號：TU311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0076-02

環(huán)境試驗是在人為模擬的高溫、高濕、低壓、低溫環(huán)境下進行相關性能、壽命等試驗研究。我國地域遼闊，環(huán)境情況多樣，是車輛使用環(huán)境復雜的國家之一，特別是高原地區(qū)海拔最高、面積最大。眾所周知，高原海拔高、空氣稀薄、晝夜溫差大、氣候多變、紫外線強、地貌復雜等特點。產(chǎn)品在高原地區(qū)，其可靠性、安全性、實用性都受到不同程度的影響。如非金屬材料的耐老化性，電子元器件的溫升特性、絕緣性能都有不同程度的影響。為了提高產(chǎn)品的環(huán)境適用性，環(huán)境試驗應運而生。為了解決實地試驗的不便性和減少成本，建造模擬高原環(huán)境的低氣壓環(huán)境艙是一個不二的選擇。低氣壓環(huán)境倉是一個密封低壓艙，利用換氣系統(tǒng)完成負壓抽氣和新風換氣，在控制系統(tǒng)的控制下，真空泵用于負壓的建立，新風用于空氣的補充。通過變頻器改變真空泵的轉速，實現(xiàn)不同的抽氣速度，實現(xiàn)不同壓力的建立和保持。

1 艙內(nèi)壓力計算

高低壓環(huán)境艙設計參數(shù)如下。

設計真空度為當?shù)睾０胃叨取? 500 m；高度控制精度±0.5 kPa；高度升、降速率≤10 m/s。

不同海拔高度的模擬實現(xiàn)過程，就是保持相應海拔高度的絕對大氣壓力。按照高度與氣壓的換算公式：

，H為達到的海拔高度。

可知，當海拔高度為5 500 m時，P5500=52280 Pa。

絕對壓力為：

△P = P0-P5500=101325-52280=49045 Pa≈49 kPa。

2 艙體有限元分析

采用美國航空航天NASTRAN有限元軟件進行強度、剛度及變形分析，通過對試驗箱工作模式進行模擬來進行結構強度、剛度及變形協(xié)調(diào)校核，并進行穩(wěn)定性安全風險分析。

艙體受力為四周受力，形狀為長方體。艙面可以看作邊界鉸接，簡化為平板受力，如圖1所示，面板受均布載荷q。經(jīng)計算確定出面板的厚度，并利用SolidWorks軟件繪制出結構圖。（見圖2）

并利用有限元進行強度分析。有限元分析是將復雜問題按照一定規(guī)則分解為多個較簡單的問題進行求解。利用小的互聯(lián)子域代替整個求解域，假定一個合理的近似解滿足每一個單元，進而推導求解域的滿足條件，得到解決問題的近似解。合理劃分節(jié)點的數(shù)量能得到滿足要求的有限元分析精度。

采用的材料為1023碳鋼板（SS），屈服強度：2.82685e+008 N/m2；張力強度：4.25e+008 N/m2；彈性模量：2.05e+011 N/m2；泊松比：0.29；質(zhì)量密度：7858 kg/m3；抗剪模量：8e+010 N/m2；熱擴張系數(shù)：1.2e-005/Kelvin。

艙體受力如圖3所示，艙體四周受到均布壓力為49 kPa，艙體與地面接觸為約束面。

進行靜態(tài)分析如下：質(zhì)量：3 194.22 kg；體積：0.406 492 m3；密度：7 858 kg/m3；重量：31 303.3 N；網(wǎng)格類型：實體網(wǎng)格；熱力效果：打開；熱力選項：包括溫度載荷；零應變溫度：298 Kelvin；解算器類型：FFEPlus。

零部件受力分析：反作用力（N） X：-288200，Y：31453.6， Z：41.409 9，合力：289912。

節(jié)點劃分：節(jié)點總數(shù)：228 754；單元總數(shù)：138 979；最大高寬比例：236.76；單元（%），其高寬比例<3：0.0518；單元 （%），其高寬比例>10∶69.9；扭曲單元（雅可比）的%：0。

3 計算結果

應力分析見圖4（a），最大主應力為1.84365e+008 N/m2（節(jié)：224 840），與艙體材料1023碳鋼板相比，小于屈服強度，滿足材料要求。

位移分析見圖4（b），位移變化量為1.864 89 mm（節(jié)：69 425）。應變分析見圖4（c），最大應變?yōu)?.000 642 267（單元：6 868），滿足殼體變形要求。艙體有限元強度分析為設計和加工提供了參考依據(jù)。

參考文獻

[1] 王寅，耿金濤.汽車高原環(huán)境模擬試驗室[J].工程與試驗， 2014（3）：55-57.

[2] 李飛，汝楓，趙軍貴，等.導彈武器全天候自然環(huán)境實驗室研究[J].導彈與航天運載技術，2016（3）：40-43.