王铁 徐婧雨
（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）
【摘 要】本文应用有限元分析技术，研究某型方舱在三点支撑工况下的强度和刚度是否合理。全文，首先通过三维软件建立有限元模型，然后根据方舱的实际使用工况，选三点支撑工况作为研究背景，对建立的方舱有限元模型进行分析和计算，最后根据方舱材料的强度极限判断方舱结构的合理性。分析结果表明，方舱的结构合理。
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关键词 方舱；有限元技术；三点支撑工况
0 引言
方舱起源于美国，最早出现在20世纪50年代的美军军事装备当中。它是一种特殊的汽车车厢，是用各种坚固材料有机地组合在一起，形成的方便、可移动的整体。作为一种移动箱式工作间，具有一定的强度、刚度和使用寿命，并以其良好的防护能力、密封性能、运输灵活性广泛应用于技术勤务、工程现场、指挥中心、武器系统以及野战医疗等方面。因此，方舱以其灵活的转移性、可靠的电磁兼容性、良好的气密性和保温性等优良的特点在我国国民经济中各个重要领域得到广泛的应用[1]。随着时代的发展和进步，方舱已经悄然地成为军用武器装备和民用运输工具的主要载体。尤其在军事领域，军事技术的迅速提升使得国家对军用方舱的结构性能的要求越来越高，高性能的方舱结构成为方舱设计的重心[2]。
随着计算机的迅猛发展，有限元技术逐渐成为一种稳定的、可靠的近似数值计算方法，在设计过程中成为行之有效的工程手段[3]。本文利用有限元技术对某型方舱的进行分析和计算，根据方舱的材料性能判断方舱结构的合理性。选取三点支撑工况作为研究背景，该工况能较好地确定方舱的承载能力[4]，契合实际且具有研究价值。
1 有限元模型的建立和分析
本文研究的方舱属于标准方舱。方舱主要由前后左右侧板，顶板和底板组成，铝板作为内外蒙皮，钢骨架之间用埋板固定舱内设备。方舱的结构复杂，某些结构件对方舱整体的应力及形变的影响很小，却会降低计算机的计算效率。
方舱的组成部件多而复杂，某些结构部件对整个方舱的应力及形变的影响非常小，但是却会很大程度上影响计算机对相关问题求解和建模的复杂程度。所以在对方舱研究之前，我们在建模阶段需要对方舱的模型进行简化。本文在不影响计算精确度的基础上，需对模型进行简化，假设如下：1）方舱骨架通过焊接而成一体，焊接处的材料性能可以认为与相邻结构件材料性能相同；2）方舱发生的变形是小变形，蒙皮和夹芯之间是不存在相对滑动的，各个结构部件相互结构，接触面的粘结强度足够，不会发生分离、脱粘现象；3）方舱各结构件通过螺栓、铆钉连接，这些连接件需进行接触、挤压等非线性的求解才可以得知其受力和传力的情况。而方舱本身属于大型结构，以上连接件多而复杂，对其进行求解不现实，本文可以简化；（4）方舱夹层中的隔热木板、各种孔、及其包边都可以忽略，不考虑其对方舱刚度和强度的影响；5）忽略角件，即三块方舱大板相交的夹角，可用来连接这三块大板。同时两个大板侧面梁的连接，可以将其等效成1条梁[5]。
根据方舱建模的假设建立方舱的几何模型，赋予材料属性，划分有网格。方舱骨架和滑橇材料使用结构钢，蒙皮材料使用铝合金，软件材料库可直接调用。最终划分的有限元网格节点853405个，单元56877个。在有限元模型划分网格之后，需要对所划分的网格进行质量检验，也即需要检查网格几何形状的合理性。网格质量的好坏将会直接影响计算的准确性。在ANSYS中Meshing网格设置里，在“Details of Mesh”参数设置面板Statistics中可以对划分的网格进行统计和质量评估。本文从两个方面对有限元网格质量进行检验，首先是Element Quality（单元质量），即选择单元质量之后，此时在信息栏中会出现Mesh Meric窗口，从窗口内显示的网格质量划分图表可知，Element Quality图表中的值越接近于1，说明网格质量就越好。图中确实绝大部分数量的网格都靠近1，网格质量较。然后是Warping Factor（扭曲系数）指标，该指标主要是用于计算或者评估四边形壳单元、含有四边形面的块单元楔形单元及金字塔单元等，高扭曲系数表明单元控制方程不能很好地控制单元，需要重新划分。选择此项之后，此时在信息栏中会出现Mesh Metric窗口，窗口中同样可以看出大部分单元的扭曲系数都靠近0，高扭曲系数的单元数量非常少，因此可见单元划分的质量较好。因此本文有限元模型单元质量良好适宜做以下的有限元分析。
方舱选择三点支撑工况，按照有关技术文件[6]规定，在方舱内部均匀加载。模拟时限制方舱顶板三角，悬空一角。最终产生的最大变形在底板内蒙皮上，最大变形为1.6678mm，符合标准[7]，刚度满足要求。而方舱的应力底板悬空点，最大应力发生图中红色标记处，最大应力值为90.357MPa，远远小于铝板的屈服极限，具体的云图如图1，因此方舱的强度满足要求。
2 结束语
本文研究的是某型方舱的结构合理性，对某型号方舱首先根据根据实际尺寸和厂家提供的数据，对方舱建立三维几何模型，再将其导入ANSYS中赋予方舱各部分材料的属性、划分有限元网格得到有限元模型，最终根据实际工况模拟载荷和约束进行有限元分析。最终分析结果表明，本文设计的方舱强度满足要求，且有很大的强度富余。变形很小，实际情况中甚至可忽略不计。因此本文方舱的结构合理。
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参考文献
［１］王良模，吴长风，王晨至.某特种车辆方舱结构的有限元模态分析[J].机械设计与制造，2008（11）.
［２］姜颖资，李培林，王崴，赵兵.紧急制动工况下某型削角方舱结构有限元分析[J].机床与液压，2008.
［３］杜子学，杨百岭，桑文波.某特种运载方舱车厢的结构优化[J].北京汽车，2012.
［４］GJB2093-94 军用方舱通用试验方法[S].国防科学技术工业委员会批准，1994.
［５］池振坤，杨俊智，周强，牟伟杰.基于ANSYS Workbench的大板式方舱模态分析[J].汽车工程学报，2011(1).
［６］GJB6109-2007 军用方舱通用规范[S].中国人民解放军总装备部批准，2007.
［７］SJ20379-1993 CAF60PD集装箱方舱规范[S].中国人民共和国电子工业部批准，1993.
［责任编辑：薛俊歌］