1、煳幽UDC工学硕士学位论文学号 Q毂!Q22密级 公五通用大板式方舱结构设计与性能分析硕士生姓名 任新霞学科领域 航空宇航科学与技术研究方向 结构总体设计指导教师 冯志刚副教授国防科学技术大学研究生院二oo八年十月国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文摘要方舱作为一种通用的设备装载平台，具有较强的机动性和环境适应性，日渐进入到更多的应用领域，因此迫切需要一套科学的理论和分析方法，来指导方舱的研制和生产。论文利用有限元技术对通用大板式方舱进行了结构性能研究。首先，采用经典迭层理论，分析了通用大板式方舱复合大板的拉伸、弯曲及扭转等力学性能；深入探讨了复合大板的建模方法，通过对比和试验，表明直接选
2、用线性层状结构单元符合复合大板的特性：根据方舱的结构特点，对其余的安装构件进行了简化，建立了方舱的有限元模型。其次，通过ANSYS软件进行了方舱的力学特性分析，主要讨论了方舱的四种使用工况，计算了方舱的结构强度和刚度，结果表明铝板聚氨酯泡沫铝板复合夹层大板的力学特性在方舱结构设计中发挥着重要的应用价值；通过方舱在不同结构参数下的模态分析计算，求出了方舱的固有频率；对方舱平跌落过程进行了仿真，结果表明方舱结构安全；将理论计算与试验数据进行对比分析，验证了计算方法的正确性，得出方舱的基本结构。最后，基于方舱特殊的环境使用要求，建立了方舱复合夹层大板传热特性计算模型，计算了典型工况下不同结构方舱的保
3、温性能，进一步完善了方舱的基本结构；分析方舱的电磁屏蔽原理，进行了方舱屏蔽效能的理论计算，校核方舱的基本结构。通过以上的分析、计算和校核，得出了满足不同承载要求的方舱结构设计基本思路，对提高方舱产品的技术水平具有借鉴意义。关键词：通用大板式方舱结构设计有限元ANSYS第i页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文ABST RACTAs an universal loading cabin,the shelter has strong mobility and environmentadaptability,therefore it is gradually applied to more fi
4、eldsSo research Oil structuralcharacters of shelter and composite laminated plates needs suitable theoretical instruction inthe process of its development and productionThe paper studies structural characters of universal composite laminated plates shelterwith the use of finite element methodFirstly
5、,the rigidity and strength performance such astension，bend，torsion of composite laminated plates are calculated by use of classicallamination theory,and then composite laminated plates modeling method is analyzedBycontrast and experiment，direct linearity samdwich element is accorded with characters
6、ofcomposite laminated platesAccording to structural characters of shelter,its finite elementmodel is built by necessary simplificationSecondly,shelters mechanics characters is analyzed by use ofANSYS softwareAnd onthe basis of discussing four kinds of work stations，results of calculating shelterS ri
7、gidity andstrength performance indicate that composite laminated plates consisting of two thinaluminium faces and a foamed plastic core is applicable for design of shelter laminateIn thepaper,the shelter inherent frequency is obtained with its modal analysis in different structuralparametersAnd Comp
8、uter simulation of shelter drop indicates its structural safetyBycontrasting theoretical calculation and test data,calculating method is validated forpresenting universal shelter structureLastly,according to application requests in special environment,thermal analysis modelof composite laminated pla
9、tes is builtheat preservation performance of different structuralshelter in typical work stations is calculated for improving universal shelter structureAfterwards，universal shelter structure is checked by the analysis of shelter electromagneticshielding principle and shielding efficiency calculatio
10、nFrom the conclusions of above analyses and calculation，the paper puts forward basicthought of shelter structural design meeting different loading requests，which provides areferencc for advancing shelter productKeywords：universal shelter consisting of composite laminated plates；structural design；fin
11、ite element method；ANSYS第ii页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文表 目 录表31单元1各节点的应力值32表32单元2各节点的应力值32表33方舱前五阶模态42表34模态结果对比表45表41材料的物理参数56表4-2温度分布结果对比表59表51常用金属的相对磁导率和相对电导率63第1H页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文图 目 录图1-1方舱外形图_1图l-2方舱应用示意图1图21复合大板结构图7图22有梁的复合大板结构图7图23复合大板局部加强图8图2-4层合板的坐标图10图25层合板的内力和内力矩12图26层合板各单层Z坐标13图27三层各向同性层合板坐
12、标图13图28总体位移图17图29等效应力图；j17图210夹层结构18图2-1 l单元材料分层图19图212总体位移图19图213第一层等效应力图，20图214第三层等效应力图20图215第二层等效应力图21图2-16梁的结构图22图217梁的简化及等效步骤22图2-18角形件的简化23图2-19方舱模型24图31 ANSYS软件图形用户界面26图3-2 ANSYS集中式数据库关系图。27图33总体位移图一3l图34等效应力图3l图35总体位移图。33图3-6等效应力图33图37总体位移(左侧和底板)34图38总体位移(右侧和顶板)35图3-9 X向位移35图310 Y向位移一36图311等
13、效应力图36图312总体位移图37第1V页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文图313 Y向位移图38图314等效应力图38图315第一阶模态42图316第二阶模态43图317第三阶模态43图318第四阶模态44图319第五阶模态44图320最大等效应力图47图321 Y向最大位移图一47图322 X向最大位移图48图323 XY最大剪应力48图324 YZ最大剪应力图49图325 XZ最大剪应力图49图326位移随载荷变化曲线50图327应力随载荷变化曲线50图41方舱热传递示意图一54图42边界条件和载荷示意图一56图43稳态分析温度分布图57图4-4 lOmin后大板的温度分布57图
14、45 20min后大板的温度分布58图4-6 30min后大板的温度分布58第v页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：耷嗥 j期：2。8年11月27日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论
15、文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文作者签名：作者指导教师签名：日期：加噼11月筇日嗍：M年l月2j日固科拄术大学H究院I#*女11引言第一章绪论当前，我国通用的方舱是由六块复合大板及附属连接件组装而成的空腔壳体。大多数方舱用来装载各种可移动的设备，和运载汽车起构成机动性强、相对独立的分系统，在武器系统的地面装备中广泛应用。方舱的构成要素土要有：复合大板、角件(或包角)、角形件和连接用的标准件，如图1-1和l-2所示。方舱的主体是复合
16、大板；八个角上安装角件的称为角件方舱，如图l-1，其中上部的四个角件用来吊装方舱，下部的四个角件用来和运载汽车进行连接，方舱和运载汽车均可单独使用；八个角上安装包角的称为包角方舱，如图12，方舱和图1I方舱外形图图I-2方舱应用示意盈运载汽车连为一体；两个面之间的连接部件称为角形件，通过铆钉和复合板连接。为了适应不同装备的性能需求，在方舱上可设置门、采光窗、翻板，及通风、供电和通国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文信电缆的进出孔口等。方舱具有内外壁上可随处安装设备、根据设备的布局随机开孔的特点，在各个行业中的应用越来越广泛，以军用行业最为突出，主要表现在军用雷达、通讯系统、地面导航、装备维
17、修工程车组、标校系统、地面发射系统、指控系统、红外跟踪、工程扫雷排爆、大型供电系统、导弹加注系统，以及监控、医疗、后勤等诸多方面。12国内外方舱技术应用现状及其发展由于方舱具有良好的战场机动能力、快速的作战反应能力、适宜的舱载设备和人员的工作环境，并可具有一定的战场威胁防护能力，因此军用地面设备方舱化已成为当代不可逆转的发展趋势，引起各国军队的高度重视。121国外方舱技术发展现状20世纪50年代方舱首先在美军军事装备中出现，此后随着战场作战要求的不断变化得到迅速发展，英、德、法等国家相继研制出各种高机动性能和高防护能力的方舱，20世纪80,-一90年代期间军用方舱得到了长足发展，除英、美、法、
18、德等国家外，意大利、西班牙、奥地利、荷兰、新加坡等许多国家都研制、装备和采购了各种类型和性能的军用方舱。并广泛应用于军事指挥、通讯、军需、军械、医疗卫生等各部门。为适应现代战场和未来战场的需求，方舱装备必将进一步发展，并将发挥越来越大，越来越重要的作战功能作用。英国军事专家在总结方舱发展时说：“在几十年前，部署军用方舱还是一件新鲜事物，现在方舱已被看作军队的必不可少的装备”【ll。至今装备方舱及有关设备的数量、质量和应用范围已成为显示其军队现代化水平的一个标志。在20世纪80年代以美国为首的一些西方国家，用金属蒙皮的聚氨酯发泡大板或用聚氨酯硬泡沫或蜂窝芯粘接大板制造普通方舱的技术已经成熟。从其
19、发展过程看，聚氨酯发泡大板应用较多。但是，聚氨酯发泡过程不可避免地会出现泡沫空洞、密度不均匀现象，如果工艺过程及参数不能有效控制，则使空洞加剧，以致于出现蒙皮鼓包现象。泡沫及其缺陷不能肉眼可视，是发泡大板工艺的缺点。但是通过现代化工艺装备和对原材料的严格控制，发泡大板质量可以有效保证，其空洞等缺陷可以控制在允许范围内。而粘接大板工艺，其泡沫预先制作，切块粘接，密度较均匀，且肉眼可视，在粘接前就可以除掉泡沫严重缺陷，尤其采用真空加压粘接，还会使大板强度有所增加，可获得比发泡大板更优异的芯材质量。但是，粘接大板制造工艺过程较复杂、对胶粘剂的要求严格，产品制造成本稍高。应当说，两种技术各有利弊。当今
20、在西方采用粘接技术制造方舱多于聚氨酯发泡大板制造方舱。在20世纪80年代以前，由于蜂窝芯大板吸水量大，板内易积剩水，因此方舱大板大多采用聚氨酯硬泡沫芯。随着蜂窝芯和制造工艺的改进，解决了蜂窝芯大板的渗水和吸水量大的问题。虽然蜂窝芯大板芯材通常密度较大，但强度较高，具有在大板上随处可安装设备固定用插件的优点，所以在美国，大约有一半的军用方舱采用蜂窝第2页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文芯。由于研制成功了轻蜂窝芯，因此Gichner公司生产的S787G标准综合指挥所方舱(SICPS)和轻型标准综合指挥所方舱(SICPS-LMS)都采用蜂窝芯。美国Marion复合材料公司生产的方舱，都采用蜂
21、窝芯作绝热夹芯材料12,3】。国外也有采用传统的泡沫梁大板结构的方舱。Gichner公司生产的GSS1497B方舱，大板采用聚氨酯芯材、铝蒙皮和高强度焊接和铆接的铝合金型材框架，是从方便实现功能设备的固定和安装来考虑的。根据军方的野外需求，Unitem方舱公司制作了扩展式ISO钢质方舱，这类方舱的结构全部采用钢材料，胜任于各种环境和气候。面临未来复杂的战场环境威胁，各西方大国把电磁屏蔽方舱作为军用战术方舱中的主要方舱，因此要求在未来战场上内装C3I(指挥、控制、通信、计算机、信息收集(侦察)和分析处理)系统的方舱都要求有60dB和60dB以上的电磁屏蔽效能；而且在对电磁屏蔽技术的认识上，从失败
22、教训中认识到原有的靠六块大板用角形件和角件铆接组装，用导电胶作电连接的传统的电磁屏蔽方舱，在未来战场的机动作战中，电磁屏蔽效能可能会有大的下降，可能会危害系统作战功能或使系统作战功能丧失。因此采用连续的熔焊来制造电磁屏蔽方舱，对以前用传统老方法生产的电磁屏蔽方舱采用加装电磁干扰屏蔽套件的办法使其达到60dB和60dB以上的电磁屏蔽效能。以上情况说明，美、英等西方主要国家对在现代战场和未来战场上方舱电磁屏蔽功能的重要性有了进一步的认识，并在解决方舱电磁屏蔽功能不足的问题。通过几十年的发展，在方舱结构上已从框架式发展为大板式；并在硬壁单舱的基础上发展了扩展方舱、组合式方舱、与帐蓬连接的混合式方舱等
23、。当今在主要西方国家，已实现了机动的军事地面设备方舱化，已研制和装备了作战指挥方舱、电子通讯方舱、医疗方舱、机械维修方舱、电子维修方舱、电源方舱、导弹发射方舱、炊事方舱等，逐步实现方舱及其附属设备的标准化和系列化。122国内方舱技术发展现状自1984年开始研制军用大板式方舱以来，我国方舱技术的发展经历了20多年。1989年，为了推动我国军用方舱的通用化技术发展，总后军交部与航天210所联合研制开发军用通用方舱，并于1992年通过了总后军交部组织的CAF 40 RJ方舱的技术鉴定，实现了我国军用方舱标准与外军方舱标准接轨的目标。之后，该通用方舱技术在国内方舱承制单位中得到了推广应用。近20多年来
24、，各方舱承制单位虽对方舱的微观结构和生产工艺进行过不同程度的改进，尤其在外观质量上有一定的提高，但在技术性能和执行的标准上基本没有变化，与国际同类产品水平相当。目前，我国的通用方舱技术及其产品正处于稳定发展阶段。但是，方舱技术及其产品与世界发达国家相比，仍处于军用通用大板式方舱的基本发展层面，加之技术、标准化等方面缺乏高层次的统一管理和指导，仍存在着技术较落后，标准化较杂乱的现象。我国的方舱研制和装备状态与20世纪80年代前美国的情况相似，但在某些方第3页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文面还达不到美国上世纪八十年代水平，例如我国还未生产蜂窝芯壁板的方舱。由于对方舱大板结构整体受力的认识
25、还没有深入到每个设计者，所以经常把大板的骨架、梁作为主要承载件，实际上，蒙皮与泡沫所构成的一体化复合材料板才应是主要承载构件，导致计算过于安全，背离了复合材料板的力学机理，使方舱结构变得很复杂，重量明显增加，隔热性能降低，工艺性变差。我国对电磁屏蔽方舱的认识和应用要求尚在起步发展当中。我国军用标准GJB 870军用电子设备方舱通用规范规定，“方舱对频率为150kHz“-“10GHz带宽内的电磁干扰抑制能力应不低于60dB”。该指标为我军电磁屏蔽方舱普遍采用的指标，1996年航天210所为空军研制出频率为10kHz-20GHz、屏蔽效能为60dB的较高性能的屏蔽方舱；该性能指标的方舱己在某防空导
26、弹等武器装备中得到了推广应用，代表了目前武器装备中应用的电磁屏蔽方舱的最高水平。2001年航天210所承担了国防基础科研项目新一代高性能电磁屏蔽方舱的基础科研和新产品开发工作，2003年完成了该科研任务的验收。所研制的样机的电磁屏蔽性能为10kI-Iz-40GHz，70“-“130dB，填补了我国宽频带、高效能屏蔽方舱的空白，达到20世纪90年代国际同类产品的先进水平。123方舱技术的发展趋势方舱作为机动的地面设备的装载体，并给人员和设备在气候上提供合适的工作环境。因此在设计时，不仅要保证方舱的整体刚强度，更要注意凸显方舱的结构优越性，提高荷质比、隔热性能以及电磁屏蔽效能。因此，随着新材料、新
27、方法的出现，方舱技术的发展趋势体现在以下方面：(I)加强大板式方舱的结构设计研究方舱是一个结构性很强的产品，合理的结构设计不仅能提高方舱的综合性能，而且能降低成本。现在的方舱结构主要是根据用户的要求，由设计人员参照以往积累的设计经验等进行确定的，采用经验化设计的方式，就目前来说，系统地理论性设计依据还是比较欠缺的。在此，可以用两个具有代表性的问题来说明目前方舱结构设计的现状：某重点型号的诱饵方舱，方舱的主管设计根据上装设备的分布特点及以往的设计经验，完成了方舱的结构设计，并进行了生产，但在后续的试验及使用中，暴露出方舱刚度比较差，变形量大，严重影响使用。这种制造过程中的反复，不仅影响了产品的进
28、度，也造成了多种资源的浪费。某型号的雷达方舱，对方舱顶部的变形量和方舱的重量都具有严格的要求。该方舱分别让两个厂家进行设计与生产，结果各异：一个是满足了舱顶的变形量要求，但方舱重量严重超限；另一个是保证了方舱重量，但舱顶的变形量过大，不满足使用要求。国外的大部分方舱采用的是铝板和聚氨酯泡沫粘接而成的复合板，而我们主要以第4页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文复合板中的加强梁来保证方舱的强度。因此，复合板中的梁在整个方舱刚强度上的贡献成为一个很重要的问题。本文就此疑惑对无梁方舱展开进一步的研究。(2)加速发展方舱的电磁屏蔽技术海湾战争结束以后，美、英等国不仅总结了战胜伊拉克的经验，也吸取了
29、为什么伊拉克如此不经打的教训，其中之一就是军用机动地面设备无电磁干扰屏蔽能力或电磁干扰屏蔽能力严重不足。为此它们加紧研制、生产和装备电磁屏蔽方舱。从美国2004年3月27日公布的17种标准战术方舱系列中，电磁干扰屏蔽能力达到60dB或60dB以上的方舱就有7种，电磁干扰屏蔽能力不足60dB的某些方舱，可以加装电磁干扰屏蔽套件，可使其具有60dB或60dB以上的电磁干扰屏蔽能力【4】。在未来的战场上，将会采用更为先进的武器系统、C4I系统(指挥、控制、通信、计算机和情报系统)等，内含的在电磁干扰和电磁脉冲下易失效和易损的电子元件和器件就更多。为了保持系统的先进性，在战场上发挥应有的作用，就会要求
30、采用更多和屏蔽效能更好的电磁屏蔽方舱。(3)加快蜂窝芯大板的研制和生产蜂窝芯大板芯材通常密度较大，强度较高，具有在大板上随处可安装设备固定用插件的优点，在美国，大约有一半的军用方舱采用蜂窝芯。我国在这方面的研究和应用还处于空白阶段。而且聚氨酯泡沫的发泡剂是一种臭氧消耗物质，已经被停止使用，采用蜂窝芯可以体现方舱的绿色设计与工艺。(4)加强方舱的标准化和通用化标准化和通用化是产品发展的永久话题。方舱发展初期，各国多根据各自需要来研制、生产和装备，造成方舱种类繁多、通用性差、生产批量小、成本高。到上世纪70年代中期，各国开始将标准化、通用化作为方舱发展的重要环节。将方舱的结构设计部分的纳入标准化和
31、通用化中，有利于推进方舱制造技术的整体发展。13论文的主要研究内容和结构安排论文采用有限元方法对通用大板式方舱建立模型，通过ANSYS软件对方舱的四种主要工况、不同结构参数下的模态和平跌落过程进行计算和分析，与试验数据进行对比，检验计算方法。通过对计算结果的分析和总结，得出方舱的基本结构。针对方舱使用中的恶劣环境进行传热特性分析，分别计算不同的复合大板截面瞬态传热，分析计算结果，对方舱的结构设计提出修正意见。根据电磁屏蔽理论，进行方舱屏蔽效能的计算，校核基本的方舱结构，并对门、窗等特殊结构进行设计。通过以上的分析、计算和校核，得出满足不同承载要求的方舱结构设计基本思路。论文的结构安排如下：第一
32、章主要介绍论文研究的背景与意义以及方舱技术的应用现状；第二章是建立方舱的有限元模型，包括方舱结构分析、复合大板力学性能解析和模型的简化等。第5页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文第三章是进行方舱的力学特性计算与分析，包括确定计算用参数、计算和分析四种主要工况的位移和应力、方舱的模态分析、动力学平跌落过程仿真，和试验数据对比计算结果，得出方舱的基本结构。第四章主要进行方舱的传热性能分析和计算，对方舱的基本结构进行修正。第五章进行方舱结构的电磁屏蔽校核。第六章总结全文，得出方舱结构设计的基本思路。第6页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文第二章方舱有限元模型的建立21方舱复合大板结构分析
33、方舱是由六块复合大板组装成的复杂结构体，组成主体是复合大板。每一块复合大板的基本结构大致类同，由铝板聚氨酯泡沫材料铝板组成，类似“三明治”结构。如图21所示。图21复合大板结构图复合大板的外层俗称为蒙皮，多采用12mm-2mm厚的铝板，中间填充阻燃的聚氨酯泡沫材料，厚度多为50ram。如果方舱的整体刚度要求很高，局部载荷很大时，通常在夹芯层中加入层合梁，如图22所示。图2-2有梁的复合大板结构图复合大板的成型分为粘接和高压发泡两种。粘接，就是把预制好的泡沫和铝板采用高性能胶粘和成受力整体；高压发泡，就是把上下两块铝板预制成中空的结构形式，然后利用发泡机，将液体的泡沫材料注入空腔，在高温高压下，
34、泡沫材料膨胀，并和上下铝板粘接成整体。实践证明，两种成型工艺各有优劣。方舱内外侧经常需要安装各种各样的设备，为了加强局部承载力，保证设备安装的可靠性，需要在复合大板的蒙皮内侧设置预制板，多采用钢板。如图2-3所示。第7页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文22有限元技术发展简介二二二蔓垂二二二二图23复合大板局部加强图有限元法是20世纪60年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论基础和解题方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或
35、用其它方法将其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范，精度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造适用的单元，从而具有比其它数值解法更广的适用范围。有限元法的基本思想是将一个实际的结构(弹性连续体)划分为有限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个的单元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之问的关系，以变分原理为工
36、具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程pJ：Q=KU式中：K结构的整体刚度矩阵；U节点位移列阵；p节点载荷列阵元。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大)。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。如果划分单元数目足够多而合理，则所获得的结果就与实际情况相符合16J。分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力
37、模式，并确定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式，第8页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单元分析、整体分析。 一与传统的力学方法相比，有限元法能够把许多难以求解的问题变的容易处理：(1)由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度，扩大了可解的范围：(2)
38、对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察；(3)对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算；(4)易于解决有初应力、热应力的问题；(5)易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解：(6)可以解决材料的非线性和结构的非线性问题；(7)采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳定性。由于计算机求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高，速度快，可缩短设计试制周期和降低成本。目前，由于有限元法可用于各种模拟和分析方法中，因此，在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域得到
39、了广泛应用。23方舱复合大板力学性能解析为适应多种复杂战场条件下保障需要，方舱必须满足战争条件下的环境、运输、载荷要求，要求其壁板应具有良好的力学性能和理化性能。铝聚氨酯-铝复合夹层大板由于具有比强度、比模量大等良好的力学性能特性，所以能在各种通用大板方舱上得到广泛应用。根据复合材料迭层理论，视复合大板材料各单层为均质，由单层迭合而成的层合板性能取决于各单层的性能及迭层几何。复合大板材料的强度首先和破坏联系在一起。复合材料的破坏是一个动态过程，且破坏模式复杂。其复杂性来自可能的各向异性和不规则的分布，同一材料在不同的条件和不同的环境下，破坏有可能按不同的方式进行，诸如断裂或滑移，这些包括基体和
40、粒子的结构变化【刀。例如由于局部的薄弱点、空穴、应力集中引起的效应。除此以外，界面粘结的性质和强弱、堆积的密集程度等都有一定影响。因此其强度和破坏有一定的随机性。复合材料的刚度特性由组分材料性质、取向和所占的体积分数决定【8】。复合材料力学研究表明，对于宏观均匀的复合材料，弹性特性的复合是一种混合效应，表现为各第9页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文种形式的混合律，它是组分材料刚性在某种意义上的平均。当前我国通用方舱的舱体多数是由六块复合大板构成的矩形体，每一块大板的基本结构大致类同。大板由铝板和聚氨酯泡沫板经粘结而成，构成一种层合结构。在此采用经典薄层层合理论研究它的力学性能。231层
41、合板的应力应变关系依据经典层合理论，建立以下假设：铝板和聚氨酯泡沫之间粘结牢固，有共同的变形，层间不产生滑移；整个层合板是等厚度的，且其总厚度符合薄板假设：平行于板中面的诸截面上的正应力与其它应力相比很小，可以忽略不计，并近似地认为各层处于平面应力状态；变形前垂直于中面的直线段，变形后仍保持直线且垂直于中面，且长度不变，即满足薄板的克希霍夫直法线假设l引。设一坐标系如图24所示，工，Y坐标面与板的几何中面重合，z轴垂直于板面。由弹性力学可知，板中任意点的位移以致形是坐标的函数。U=v(x，Y，z)；V=v(x，Y，z)；W=形b，Y，z)图2-4层合板的坐标图由假设可知：占：=0；=0；=0根
42、据小变形假设有如下的几何关系：a【， a矿 a【， a矿毛2百 占y 2面 2百+i呶 鳓 ov axa形 a形 a矿 a形aU殳2 i2百+i 2 i+i将(2-1)式代入(2-3)式。对Z积分得；W=r：fx，Y) 、拈吆警+酏力y：一z罢+C：G，y)lvy o在几何中面(z=0)处：Ul脚=Uo，y)叫：=0=Vo(工，y)(2-1)(22)(23)(24)第10页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文利用迈界条仟，(2-4)瓦日j与成： W=形(x，Y)u：u。G，y)一z掣矿；G，y)一zaw_(x,y)式中：形G，y)称为挠度函数。代入(22)式中得：aU。 a2W，=2一ZT
43、4 舐 舐2avo a2Wo 2畜屹矿岛=等+警屹考设：川=OUoaxaVo匆OUo+aVo砂 叙取)=KxKyK秽a2形苏2a2W砂2a2WZ一苏砂(2-5)(26)式中：忙。卜为中面的面内应变列阵，表示中面的伸缩和剪切变形：K为中面的弯曲列阵，表示中面变形后的曲率和扭率。则(26)式可以写成矩阵形式：p)=poj+z睥) (27)将(27)式代入单层板的应力应变公式，可得层合板中第后层的应力应变关系：pk=豳L船o)+三取) (2-8)232层合板的刚度如图2-5所示，设，以，N砂为层合板横截面单位宽度(或长度)上的内力(拉、压力或剪切力)；M，M，M矽为层合板横截面单位宽度的内力矩(弯矩
44、或扭矩)。它们可由各单层板上的应力沿层合板厚度积分求得，设层合板的厚度为f，则有圣兰)=j二耄)出 髀睁协9，第11页国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文图25层合板的内力和内力矩由于层合板的应力是不连续分布的，只能分层积分，则上式可写为：阱 k=l 纠：陬1I出山“2 H七 卧 k=l E阱协将(28)式代入(210)式，得内力、内力矩与应变关系为：根据图2-6坐标系，式中呜，岛，岛由下式定义：4=k=l锄九瓴一孙。)k=l惦九(Z；一：芑)协kGiz其中，4是面内内力与中面应变有关的刚度系数，称为拉伸刚度；DU是内力矩与曲率及扭曲率有关的刚度系数，称为弯曲刚度；岛表示弯曲、拉伸之间有耦合关系，称为耦合刚度。(211)(212)(2。13)(214)第12页善y可豇西胁Vh儿666肌既励226阢艮既夙夙易，L+、，
