军用方舱结构设计的有限元研究

盛先莉

摘 要：我国是一个爱好和平的大国，拥有着庞大的军事规模，在国际军事力量中排名第三。我国军事力量的强大离不开各种军用设备武器的进步。本文主要从有限元的基础上对军用方舱的结构设计进行研究。

关键词：有限元 军用方舱 结构设计

Finite Element Study on Structural Design of Military Shelter

Sheng Xianli

Abstract：China is a large peace-loving country with a huge military scale， ranking third in international military power. The strength of China's military is inseparable from the advancement of various military equipment and weapons. This article mainly studies the structural design of military shelters on the basis of finite element.

Key words：finite element， military shelter， structural design

1 军用方舱的功能分析

军用方舱是军队中常用的新型装备，加强军用方舱的建设能够促进我国的军队实力的加强。我国传统的军用方舱已经无法适应时代的需求，因此要对军用方舱的结构进行合理设计。在军用方舱设计的过程中应该满足以下几个要求：

（1）刚度、疲劳强度、抗腐蚀性能、安全性能以及使用寿命应该满足实际需求。（2）军用方舱的体积较小，要为军用方舱内的工作人员提供充足丰富的日常用品以及战斗设备，工作环境应该符合安全舒适健康的标准。（3）军用方舱在设计时应从不同军种的实际情况出发，例如，设计师在设计陆军的军用方舱时，要考虑到方舱的外观，防止军用方舱被敌军发现。（4）军用方舱的保护层应使用防火防弹耐高温的材料，在战斗过程中保证军用方舱内的设备与指挥人员的安全。

2 新型军用方舱的总体设计

在方舱结构设计过程中隔热性能、刚度、强度成为了关键。我国的传统方舱一般有一到两个位于舱内或运载平台上的绕线盘，舱内色彩搭配颜色比较单一，容易使舱内的指挥人员产生压抑感。舱内地面采用墨绿色的浇筑地板，没有采取防滑措施，工作人员在搬运设备时容易滑倒。军用方舱内的显示器一般采用加固显示器，用于信号传输的天线水平安装在存放箱中。座椅采用普通座椅或者折叠椅，工作人员在长期工作后容易腰部劳累。传统的军用方舱的外表使用聚氨酯泡沫材料遇到高温易发生化学反应而遭到破坏。

3 军用方舱的载荷性能研究

设计军用方舱时应从我国军事的实际情况出发，利用先进的加工方式进行加工。军用方舱的外表呈长方体形状，长度为六米，宽度为三米，高度为两米五十厘米。在设计方舱的长宽高时还需要保证方舱的总体质量要符合国家标准，因此對方舱的载荷具有一定的要求。在研究方舱的载荷要求时，应该模拟在不同环境中方舱的受力，对军用方舱在各个部位的受力进行详细科学的分析，利用有限元的计算方法分析受力情况。除了军用方舱的外部尺寸设计，方舱在结构上使用大板式结构，军用方舱的六个表面分别由不同长宽的夹层复合板构成，分别为顶板、底板、前板、后板、左板、右板，采用铸钢角件和内外角件固定六个夹层复合板。将前板和后板中的倒角消去，以便于提高军用方舱的强度和质量。军用方舱复合板的厚度约为15厘米左右，其中隔热材料的厚度为10厘米，骨架的厚度为4厘米。复合板中的夹层中含有坚固的钢筋，复合板对外的一层使用具有一定强度、可焊性强、抗腐蚀性能较高的硬铝合金板，朝向内的一层使用机械性能与工艺性能较好的冷轧钢板。在每个夹层复合板的内层与外层之间加入硬质聚氨酯泡沫塑料，硬质聚氨酯泡沫塑料多为闭孔结构，具有绝热效果好、重量轻、比强度大、施工方便等优良特性，同时还具有隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等特点。除此之外，还应在夹层复合板中添加适量的圈梁，以此来防止地基不均匀沉降或较大振动荷载等对军用方舱产生的不利影响，圈梁道数的设置应根据军用方舱的结构和构造情况确定，针对军用方舱的结构与尺寸特点，可以在军用方舱的基础顶面部位与檐口部位设置一道圈梁，合理设置圈梁有助于增加军用方舱的刚度和稳定性。军用方舱的地板可以采用含碳量小于0.8%的优质碳素结构钢，这种钢材料具有良好的机械性能，能够有效的地提高军用方舱的稳定性与强度。

4 军用方舱设计的有限元研究

4.1 有限元

在数学计算中的微积分中，常常利用有限元的方法求得偏微分方程解的近似值。有限元，顾名思义就是将整个偏微分方程图形所概括的区域分成若干个小部分，每一个小部分都是有限元。随着我国电子计算机的普及，有限元的应用也越来越广泛。作为一种较为精确科学的计算方式，有限元主要被应用于连续体力学、飞机结构静动态分析、热传导、电磁场、流体力学等领域当中。有限元计算的流程包括物理离散化、选择位移模式、分析力学性质、等效节力点四个步骤。在机械工程设计领域当中，有限元被应用于建模仿真，以此来判断设计出的产品是否符合实际标准。对军用方舱进行有限元分析时的步骤为：选取方舱中的样本、根据实际设计的结构建立模型、分析样本的受力情况、利用高性能有限元处理器合理设置参数、使用有限元结构分析和优化软件计算出结构并分析数据。

4.2 根据军用方舱的实际结构建立有限元模型

依据已经设计出的军用方舱的结构离散图，以方舱的载荷和强度刚度需求为标准，将军用方舱的工作分为三种情况：军用方舱的底板承载情况、起吊情况、两根滚杠在方舱上滚动的情况。在建立军用方舱的模型时，对一些不起作用的部位可以适当忽略，模型中留下重点内容。可以将方舱内的电源门与开关门合二为一，更加便于后期的受力计算和分析。军用方舱的夹层复合板中含有八种梁结构，一种板结构，可以将这些结构进行科学的对换，全部等效成为十五毫米的铝结构，再将方舱的外部结构进行合理划分。在划分网格时应考虑精度和计算时间两个方面。如果划分的网格数量较多，虽会提高计算精度，却增加了计算的难度;如果划分的网格数量较少，计算过程中会产生较大的误差，影响精度。在划分时应保证每个网格的长和宽、翘曲角、雅克比例基本相等。一共将模型分成了8021个节点和14650个小单元。

建立军用方舱滚杠时的工作情况：方舱的底板上与两根滚杠的接触点一共有六个，分别将这六个接触点向三个坐标轴的方向移动，使军用方舱受力均匀。

4.3 有限元计算与分析

军用方舱的外部板主要以硬铝合金板为材料，建立模型时对内部的硬质聚氨酯泡沫塑料忽略不计。硬铝合金板的弹性模量为70 MPa，泊松比为0.33，抗拉强度为460MPa，屈服强度是250MPa，冷轧钢板的弹性模量为206MPa，泊松比为0.3，抗拉强度在375MPa-460MPa之间，屈服强度是235MPa。滚杠是军用方舱中能够转动的圆柱形用具，一般在运输重物时起车轮的作用。对测量所得的数据进行分析计算后得出，当军用方舱满载（五吨载荷）时，在底板与滚杠的接触部位产生了最大的应力，这时的应力值为226MPa，符合刚度与强度的需求。在模拟过程中产生的最大位移约为1.5毫米，由此可知方舱运行时产生的变形量较小，安全系数为1.1，达到了强度要求。

4.4 利用有限元分析方舱的导热性能

导热性能的强弱用传热系数表示。军用方舱的外表材料直接影响着传热系数。热量总是由高温向低温方向传递。方舱在传递热量的方式可分为热传导、热对流、热辐射。在方舱表面使用复合夹层板中具有隔热材料，热辐射由太阳释放出，在热量经过复合夹层板时，有一部分的热量被隔热材料隔绝了，最后剩下一小部分的热量传递到军用方舱的内部。如果方舱的导热能力较强，在炎热的夏天室内温度较高，容易造成空间降温资源的浪费。如果使用隔热性能强的材料，即使在炎热的夏天，室外的温度也不会过多的传递到室内，所以说使用隔热性能较强的材料也能减少资源浪费。传热系数可以用来衡量特定维护结构（军用方舱的表面墙体）的传热能力，传热系数与军用方舱的隔热性能息息相关。在计算军用方舱的传热系数时可以采用有限元分析的方法进行计算，在分析时可以对军用方舱的内外温度进行对比与测量，利用相关软件分析不同的材料对方舱内外温度差的影响。

5 结语

军用方舱的设计有利于提高我国军队的战斗力，在设計过程中首先对军用方舱的总体结构进行研究，然后研究军用方舱的载荷、强度、刚度、导热性能，利用有限元进行的一系列计算最终得出，上述每种工作情况均符合国家规定，这种新型结构设计加强了军用方舱的刚度和强度，可以为日后军用方舱的设计与创新提供参考。

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