某特种方舱骨架模型静力学分析

朱家洪 杨铖 杨加春 冯帆

摘要：某特种方舱为我军重要装备的运输栽体及任务执行时的承栽单元，方舱工作时顶部、底部、内部均有较大的集中交变栽荷，为此对方舱骨架的力学特性提出了一系列要求，需要在方舱骨架设计时在保证方舱内外各设备安装接口的前提下保证各部位的力学强度并进行校核。主要就特种方舱骨架的静力学特性进行分析，主要工况有：运输、吊装、天线起竖等。

关键词：特种方舱骨架;静力学分析;运输工况;吊装工况;起竖工况

中图分类号：TH12文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2019）03-0011-05

特种骨架方舱是我军大型电子设备的重要载体，方艙通常焊接为一体的笼式结构，底部与大型汽车底盘或方位转台连接，顶部安装有可起竖的大型天线系统，方舱内部为电子操控设备安装及人员操作空间，如图1所示。这类产品没有标准的结构型式，通常根据所装载的天线与电子设备接口而专门设计。

而在一般的工程设计中仅需对方舱重要部位的结构进行简单力学计算，可以经典力学公式简化模型后计算，也可以由三维软件自带的数据包进行模型分析。本项目由于系统装备价值较高以及作战环境的复杂性，方舱的安全性与可靠性在设计时显得特别重要，对于方舱受力起决定性作用的骨架模型需要从静力学和动力学两个维度进行全模型有限元分析校核，本文仅以静力学分析进行阐述。

1特种方舱骨架计算模型及材料数据

方舱骨架几何实体模型如图2所示。将方舱骨架进行有限元离散，得到的有限元计算模型见图3。显示梁元的剖面以及几何偏心后，得到的有限元计算模型见图4。

2运输工况静力学分析

1）载荷和约束

考察在运输状态下，瞬间轴向2g过载和顶部天线7.800t的重力载荷联合作用下方舱骨架结构的强度和刚度问题。方舱底面与回转机构连接的24个螺栓位置固支。将天线质量等效成天线支座和支撑支座处的载荷如图5所示。

2）位移和应力

运输工况下的方舱骨架的位移变形见图6。骨架组合应力云图如图7所示。

3）结果分析

1）在运输工况下，方舱骨架从静止状态瞬间加速，轴向主要受到2g惯性过载，变形特征表现为后仰，最大的变形量为4.25mm，发生在底座伸出的悬臂梁自由端面。

2）方舱骨架的最大轴向应力为23.6MPa，发生在右壁“×”型梁处。最大弯曲应力为66.5MPa，发生在后壁“T”型梁处。运输工况下，方舱骨架的受力条件相对恶劣的是后壁，从组合应力来看，最大的应力为75.9MPa.远小于材料的屈服极限，表明结构是偏安全的。

3吊装工况静力学分析

1）载荷和约束

考察在起吊状态下，瞬间法向1.5g过载和顶部天线7.800t的重力载荷联合作用下方舱骨架结构的强度和刚度问题。其中，将回转机构等效成1.500t的集中质量单元。在方舱左右壁安装起吊支耳处固支。

2）位移和应力

吊装工况下的方舱骨架变形见图8，方舱骨架组合应力云图见图9。

3）结果分析

1）在吊装工况下，方舱骨架从静止状态瞬间加速，法向主要受到1.5g惯性过载，变形特征表现为下座，最大的变形量为1.27mm，发生在底座与回转机构连接的安装板上。

2）方舱骨架的最大轴向应力为22.1MPa，发生在靠近后壁的起吊支耳处的横梁上。最大弯曲应力为126.0MPa，仍发生在靠近后壁的起吊支耳处的横梁上。

吊装工况下，方舱骨架的受力条件相对恶劣的是左右壁安装起吊支耳的区域，从组合应力来看，最大的应力为126.0MPa，但还小于材料的屈服极限，表明结构是偏安全的。

4天线初始起竖T况（天线0°）静力学分析

1）载荷和约束

考察顶部天线处于0°，在顶部天线7.800t的重力载荷作用下方舱骨架结构的强度和刚度问题。方舱底面与回转机构连接的24个螺栓位置固支。

2）位移和应力

天线初始起竖工况方舱骨架变形见图10，方舱骨架组合应力云图见图11。

3）结果分析

在天线0°初始起竖工况下，将天线质量等效到天线支座和支撑装置上.变形特征表现为左右壁的弯曲。由于等效到支撑支座上的载荷接近天线支座的两倍，最大变形量为2.77mm，发生在右后壁竖梁上。

方舱骨架的最大轴向应力为35.6MPa，发生在右壁“×”型梁处。最大弯曲应力为61.3MPa，发生在后壁“T”型梁处。天线0。静止工况下，方舱骨架的受力条件相对恶劣的是后壁，从组合应力来看，最大的应力为69.9MPa，还远小于材料的屈服极限.表明结构是偏安全的。

5天线起竖43°工况静力学分析

1）载荷和约束

考察顶部天线处于43°，在顶部天线7.800t的重力载荷作用下方舱骨架结构的强度和刚度问题。方舱底面与回转机构连接的24个螺栓位置固支。将天线质量等效成天线支座和油缸支座处的载荷如图12所示。

2）位移和应力

天线起竖43°工况方舱骨架变形如图13所示.方舱骨架组合应力云图如图14所示。

3）结果分析

在天线起竖43°工况下，变形特征与0°类似，仍表现为左右壁的弯曲。天线负载等效到天线支座上的载荷占到总载荷的84.2%，因此，最大变形发生在右壁油缸支座处竖梁.最大变形量为1.98mm。

方舱骨架的最大轴向应力为21.7MPa.发生在后壁底梁处。最大弯曲应力为48.5MPa，发生在后壁“T”型梁处。天线43°静止工况下，方舱骨架的受力条件相对恶劣的是后壁，从组合应力来看，最大的应力为53.1MPa，还远小于材料的屈服极限，表明结构是偏安全的。

6天线起竖70°工况静力学分析

1）载荷和约束

考察顶部天线处于70°，在顶部天线7.800t的重力载荷作用下方舱骨架结构的强度和刚度问题。方舱底面与回转机构连接的24个螺栓位置固支。将天线质量等效成天线支座和油缸支座处的载荷如图15所示。

2）位移和应力

天线起竖70°工况方舱骨架变形情况如图15所示，方舱骨架组合应力云图如图16所示。

3）结果分析

在天线起竖70°工况下，变形特征与0°类似，仍表现为左右壁的弯曲。天线负载等效到天线支座上的载荷占到总载荷的60.4%，因此，最大变形发生在右前壁竖梁，最大变形量为2.84mm。

方舱骨架的最大轴向应力为23.4MPa，最大弯曲应力为38.5MPa，发生在底座的横梁上。天线70°静止工况下.方舱骨架的受力条件相对恶劣的是底座，从组合应力来看，最大的应力为68.4MPa，还远小于材料的屈服极限，表明结构是偏安全的。

7各工况总结

将上述工况进行小结，载荷和约束对比见表2，位移和应力对比见表3和表4。

从表3和表4可以看出：

1）上述5种工况中，以刚度作为衡量指标，运输工况的位移相对较大。轴向的过载下，使得骨架结构有后仰变形，最大位移量4.25mm，发生在底座伸出的悬臂梁。以强度作为衡量指标，吊装工况应力相对较大，其组合应力达到126MPa。由于结构所用材料的屈服强度为343MPa，所以本工况下仍然是偏安全的。

2）起竖工况下，天线处于O、43和70°等效作用在天线支座、油缸支座以及支撑装置上的载荷变化较大。天线处于0°时，单侧支撑装置上的载荷为2.300t，占到单侧总载荷（3.900t）的59.0%，此时右后壁竖梁变形最大;天线处于43°时，单侧油缸支座上的载荷为3.283t，占到单侧总载荷84.2%，此时支撑油缸的竖梁变形最大;天线处于70°时，单侧油缸支座上的载荷为2.357t，占到单侧总载荷60.4%，此时支右前壁竖梁变形最大。可以看出，中隔壁对于左壁起到一定刚度加强作用。

3）后壁设计中存在“T”型梁，往往是应力集中的区域，在设计中考虑做成“+”型。