基于有限元仿真计算的低压环境舱强度分析

王云开++赵海山++李健

摘 要：低壓环境仓用于模拟不同温度、湿度下低压环境，其壳体作为骨架，是承受大气压力的主要部件。该文针对最大压力差条件下，利用美国航空航天NASTRAN有限元软件进行强度、刚度及变形分析，为设计和加工提供了参考依据。

关键词：低压环境舱 有限元 仿真分析

中图分类号：TU311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0076-02

环境试验是在人为模拟的高温、高湿、低压、低温环境下进行相关性能、寿命等试验研究。我国地域辽阔，环境情况多样，是车辆使用环境复杂的国家之一，特别是高原地区海拔最高、面积最大。众所周知，高原海拔高、空气稀薄、昼夜温差大、气候多变、紫外线强、地貌复杂等特点。产品在高原地区，其可靠性、安全性、实用性都受到不同程度的影响。如非金属材料的耐老化性，电子元器件的温升特性、绝缘性能都有不同程度的影响。为了提高产品的环境适用性，环境试验应运而生。为了解决实地试验的不便性和减少成本，建造模拟高原环境的低气压环境舱是一个不二的选择。低气压环境仓是一个密封低压舱，利用换气系统完成负压抽气和新风换气，在控制系统的控制下，真空泵用于负压的建立，新风用于空气的补充。通过变频器改变真空泵的转速，实现不同的抽气速度，实现不同压力的建立和保持。

1 舱内压力计算

高低压环境舱设计参数如下。

设计真空度为当地海拔高度～5 500 m；高度控制精度±0.5 kPa；高度升、降速率≤10 m/s。

不同海拔高度的模拟实现过程，就是保持相应海拔高度的绝对大气压力。按照高度与气压的换算公式：

，H为达到的海拔高度。

可知，当海拔高度为5 500 m时，P5500=52280 Pa。

绝对压力为：

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

2 舱体有限元分析

采用美国航空航天NASTRAN有限元软件进行强度、刚度及变形分析，通过对试验箱工作模式进行模拟来进行结构强度、刚度及变形协调校核，并进行稳定性安全风险分析。

舱体受力为四周受力，形状为长方体。舱面可以看作边界铰接，简化为平板受力，如图1所示，面板受均布载荷q。经计算确定出面板的厚度，并利用SolidWorks软件绘制出结构图。（见图2）

并利用有限元进行强度分析。有限元分析是将复杂问题按照一定规则分解为多个较简单的问题进行求解。利用小的互联子域代替整个求解域，假定一个合理的近似解满足每一个单元，进而推导求解域的满足条件，得到解决问题的近似解。合理划分节点的数量能得到满足要求的有限元分析精度。

采用的材料为1023碳钢板（SS），屈服强度：2.82685e+008 N/m2；张力强度：4.25e+008 N/m2；弹性模量：2.05e+011 N/m2；泊松比：0.29；质量密度：7858 kg/m3；抗剪模量：8e+010 N/m2；热扩张系数：1.2e-005/Kelvin。

舱体受力如图3所示，舱体四周受到均布压力为49 kPa，舱体与地面接触为约束面。

进行静态分析如下：质量：3 194.22 kg；体积：0.406 492 m3；密度：7 858 kg/m3；重量：31 303.3 N；网格类型：实体网格；热力效果：打开；热力选项：包括温度载荷；零应变温度：298 Kelvin；解算器类型：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。

节点划分：节点总数：228 754；单元总数：138 979；最大高宽比例：236.76；单元（%），其高宽比例<3：0.0518；单元 （%），其高宽比例>10∶69.9；扭曲单元（雅可比）的%：0。

3 计算结果

应力分析见图4（a），最大主应力为1.84365e+008 N/m2（节：224 840），与舱体材料1023碳钢板相比，小于屈服强度，满足材料要求。

位移分析见图4（b），位移变化量为1.864 89 mm（节：69 425）。应变分析见图4（c），最大应变为0.000 642 267（单元：6 868），满足壳体变形要求。舱体有限元强度分析为设计和加工提供了参考依据。

参考文献

[1] 王寅，耿金涛.汽车高原环境模拟试验室[J].工程与试验， 2014（3）：55-57.

[2] 李飞，汝枫，赵军贵，等.导弹武器全天候自然环境实验室研究[J].导弹与航天运载技术，2016（3）：40-43.