SolidWorks建模的方舱角件优化设计Word文档格式.docx
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方舱作为地面移动掩体，在军事方面得到越来越广泛的应用。
方舱技术的发展促使方舱舱体朝着强度更好、质量更轻和有效负荷更大的方向前进，方舱的结构、工艺和材料在不断的改进和发展。
目前，国内生产的5m方舱，重量约为1100kg,4m方舱质量约为800kg左右。
普通方舱的角件位于方舱的8个角点，是起连接角柱、骨架和板件作用的构件，也是装卸和运输方舱时的系固点，国内生产厂家的方舱角件质量范围约在7~16kg之向，一般采用铸钢制造。
普通方舱每台需使用8个角件，这样计算下来，仅角件的质量就要占到方舱质量的约10%，故对于轻型越野方舱车来讲，减轻角件质量能有效提高方舱的载重能力。
方舱角件在方舱结构中属于重要件，有严格的试验技术要求，故对方舱角件进行优化设计，从而确定更好的结构形式具有很重要的意义。
角件的结构较为复杂，使用传统的计算方法不够精确，且工作量很大。
本文使用SolidWorks软件对方舱角件建模并使用附属的COSMOSXpress分析程序对角件进行受力分析。
2工况分析
方舱角件按工作状态不同可分为以下工况:
a）公路运输时与方舱旋锁装置相配合，对方舱起限位作用;
b）铁路或公路运输时使用系吊组件使角件与运输平台拉紧起系固限位作用;
c）空运时使用系吊组件进行吊装;
d）方舱使用升降机构支撑。
工况a）和工况b）对方舱角件的要求为限位，本身对方舱重量不承载，仅受运输中的冲击力作用;
工况d）仅受静载荷作用，工况c）则对方舱角件的要求更为严酷，不仅要求限位和承载，还要求能承受更大冲击的要求。
根据GJB2093-94
《军用方舱通用实验方法》方法205的要求，试验时方舱角件采用逐级加载，被测试角件任一垂直方向上的加载值均为2.25G（代号G为方舱的最大总质量）。
对于无直升机吊运要求的方舱，其加载值为1.30G。
军用方舱车在指挥、通信、医疗、维修、发射控制等方面有广泛的应用。
对角件的抗拉强度要求略有不同，为适应战时恶劣环境恶劣的应变能力，对方舱车一般都有直升机吊运要求，故本文只需分析角件在工况c）下的承载能力，满足直升机吊运要求的角件也适合于无直升机吊运的要求。
目前，通用的军用越野车辆的越野载质量为3.5t和5t两种，故方舱（含舱体）最大总质量一般不超过5t。
为增加安全系数，本文受力分析中假定方舱的最大总重量为6t，则方舱角件在有直升机吊运要求时，其加载值为2.25*6000*9.8=132300N，为方便计算，取为135kN。
根据GJB2410-95《军用方舱角件规范》，方舱角件共有两种类型,A类采用铝合金材料，B类采用钢合金材料，A类是用于盐雾条件恶劣的地区，主要使用的是B类角件，本文只对B类角件进行分析。
B类角件的最大外形尺寸相同，每类角件共四种类型，两两对称，顶右角件和底右角件的区别仅是开孔的形状略有变化，开孔尺寸越大对角件的影响程度越恶劣，故在下文分析中是取开口大些的钢合金顶右角件为研究对象。
3建模及分析
3.1模型结构
如图1所示，角件的结构由内衬、裙边和基体三部分组成，角件外形尺寸国军标中并未严格限定，仅对开孔的形位尺寸作了规定。
角件各部位厚度的不同影响着角件质量，在这三个部分中，基体部分是主要受力要素，其厚度应适当，其余部分起连接和密封作用，其厚度只需要满足连接强度即可。
假设模型的内衬厚度设计为8mm，裙边厚度设计为8mm，基体厚度设计为15mm,按照图示的外形尺寸建模，材料选择为ZG270-450。
3.2角件危险面分析
角件的3个受力面施加的试验载荷一致，通过安全系数的不同可以判断出哪一个受力面最为危险。
角件建模后使用COSMOSXpress元件分析，沿垂直与各面的方向向外施加135kN的静拉力，其计算结果如表1所示。
从结果中可以看出，角件中的危险面在右侧，由于角件的三个方向上的开孔形状以及位置尺寸均是国军标规定的标准尺寸，对于相同厚度的三个面来说在承载相同的情况下，右侧最为危险。
从受力面和受力形式分析，顶面和后面的开口边缘距离棱角近，故在相同载荷的情形下，受到的载荷力矩小，右面则较大，故更为危险，这同上述使用软件分析的结果是一致的。
过渡圆角的影响分析
角件基体部分间的内过渡圆角对其强度也具有影响，表2是对不同大小的过渡圆角的角件在静载荷135kN的条件下的受力分析。
角件基体部分间的内过渡圆角对其强度也具有影响，表2是对不同大小的过渡圆角的角件在静载荷135kN的条件下的受力分析。
以上计算结果说明，角件的安全系数并不是随过渡圆角的增大而增大的，与实际不符。
分析其原因，由于施加的载荷是以力为单位的，圆角增大导致模型的受力面减小，单位面积上的应力增加，故圆角从0~lOmm区间是面积起主要作用，从10~25mm区间是圆角起主要作用，当圆角大于23.5mm时，圆角边超出了开孔界限，圆角的作用削弱了。
在实际吊装或支撑过程中的受力面趋向于孔形状的中间位置，而建模施加的载荷是平均分布的，与实际情况有所出人，故需要在角件右侧内重新建模构建一个75*90二的区域用于施加载荷，见图2。
修正后的安全系数见表2，可以看出修正后安全系数呈线性变化，符合实际情况。
方舱角件在安装升降机构的过程中角件内需预留一定的安装面，模型6和模型7则将圆角扩大到了开口部位，故也不合适。
综合以上情况，模型5即，圆角半径设计为20mm时，各方面的状况较为理想。
3.4基体厚度的影响分析
基体厚度对角件强度的影响较大，表3模型的所有过渡圆角均为20mm,材料为ZG270-450，在加载135kN条件下进行分析的。
由上表可以看出，基体厚度每增加1mm，质量约增加0.35kg，安全系数在13~14mm区间变化最大，故取主体厚度在13~14mm间较为合适。
3.5材料及其他部位厚度影响分析
从上述分析可知，采用材料铸钢ZG270~450角件的质量在满足最佳圆角和主体厚度的情况下，质量为11.78kg，若提高材料的性能等级则能有效的减重，下述分析采用材料ZG340-640的铸钢，同时，减少基体、裙边和内衬的厚度来减轻角件的质量。
模型基体厚度设计为13mm,裙边厚度为5mm,内衬为4mm，则模型的质量为9.2kg。
运用COSMOSXpress程序在角件右面受静载135kN下对此模型右侧受载荷的情况下进行分析，其安全系数为1.20,应力结果如图3所示，角件的最大受拉应力为2.832*10的8次方N/m*m。
4结论
角件的制造方式可以是砂型铸造和精密铸造，也可以采用焊接的方式。
砂型铸造的最小壁厚为8mm，故对于角件质量无太高要求的方舱来说，在考虑成本因数的基础上应该选用砂型铸造，角件材料选用ZG270-450，基体厚为14mm，裙边厚为8mm，内衬厚8mm，过渡圆角R20mm即可满足要求，这样角件总质量约为12kg。
若采用精密铸造，可按照3.5条的分析条件设计，总质量约为9kg，但制造成本会相应的增加。
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