摘 要：門扇作為防護(hù)密閉裝置的直接受力構(gòu)件，影響著防護(hù)密閉裝置的防護(hù)效果和使用。通過對大型鋼結(jié)構(gòu)門扇制作的分析，采用有限元分析方法并借助大型有限元分析軟件ANSYS，分析門扇的應(yīng)力分布并計(jì)算各點(diǎn)位移，進(jìn)而對門扇梁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，在得出合理的梁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，通過改變梁架截面尺寸和面板厚度，了解其對門扇的最大彎曲應(yīng)力和抗彎效果的影響，最終得出合理的門扇制作模型，在保證門扇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)優(yōu)化了門扇質(zhì)量和尺寸，確保門扇結(jié)構(gòu)的安全性和制造的經(jīng)濟(jì)，也為同類型的門扇設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：防護(hù)密閉裝置；門扇；優(yōu)化；有限元分析；ANSYS

中圖分類號(hào)：TU228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-1098(2008)01-0030-04

收稿日期：2007-05-30

作者簡介：方林中（1972-），男，安徽池州人，講師，在讀博士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)（機(jī)器人應(yīng)用）專業(yè)教學(xué)工作。

Analysis of Protective Obturators Valve Structure

FANG Lin-zhong

（Shanghai Technical Institute of Electronics and Information, Shanghai 200214, China)

Abstract:As protective obturators component directly bearing forces, a valves performance directly affects protection effect and use of a protective obturator. Based on the analysis of large steel valves construction, distribution of stress in a valve was analyzed by finite element analysis software ANSYS and displacement at different points in the valve was calculated. Solutions of valves girder contracture design were discussed. On the basis of reasonable girder structure design solution, influence of girder section size and panel thickness change on valves maximum bending stress and bending effect was studied. Finally the reasonable valves model was found, which ensures valves structure strength, optimizing valves mass and dimension. The study makes valves structure safe and economic construction. It provides theoretic basis for the same kind of valve design.

Key words:protective obstructors valve; vavle; optimization; finite element analysis; ANSYS

人防工程需要在進(jìn)出口處設(shè)置能承受雙向沖擊波載荷的防護(hù)密閉裝置?，F(xiàn)代防護(hù)密閉裝置通常采用全鋼制作，體積和質(zhì)量都很大，而門扇作為防護(hù)密閉裝置的直接受力構(gòu)件，需要在惡劣環(huán)境下承受高強(qiáng)度的沖擊載荷，怎樣在保證門扇工作可靠性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，盡量減少門扇體積和質(zhì)量、降低制作成本？ 本文采用有限元分析方法，對門扇梁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討。

1防護(hù)密閉裝置門扇設(shè)計(jì)

1.1 門扇制作分析

鋼結(jié)構(gòu)是防護(hù)密閉裝置主要結(jié)構(gòu)型式之一，在目前防護(hù)工程中應(yīng)用十分廣泛。常用的有梁板門和拱形門兩種基本類型，考慮到加工方便和正反受力情況良好，梁板門應(yīng)用最為廣泛。為了使門扇能承受內(nèi)、外兩側(cè)的載荷，同時(shí)減輕門扇的總體質(zhì)量，門扇梁架可用工字鋼焊接而成，內(nèi)、外再各焊接一定厚度的面板。這種結(jié)構(gòu)的防護(hù)密閉裝置適用于跨度較大而抗力較低的大、中型防護(hù)裝置，制作時(shí)可將梁、板分開制作，然后再進(jìn)行裝配。

門扇梁架一般用工字鋼加工，制成井字梁系（見圖2），梁系四周再焊接槽鋼成一整體。制作時(shí)，梁系宜設(shè)置主、次梁，主梁受力大，不宜切斷，次梁可切斷焊接在主梁上。為使梁受力均勻，減小門扇厚度，主、次梁采用齊平連接，即水平次梁與主梁的上翼緣表面齊平，都直接與面板相連。其優(yōu)點(diǎn)是：井字梁與面板形成剛性的整體，面板為四邊支承，受力條件好；可以把部分面板作為梁截面的一部分，以減少井字梁的用鋼量。井字梁梁系在平面上宜做成正方形，如必須做成長方形，則其長短邊之比不宜大于1∶5。一般情況下這種井字梁系梁板門宜做成單扇，如做成雙扇，可在自由邊增加大梁，以保證其有足夠的剛度。

1.2 門扇參數(shù)

某防護(hù)密閉裝置門框內(nèi)環(huán)尺寸：門洞高獺=5 000 mm，門洞寬玏=6 000 mm；采用雙扇門，正、反面受載時(shí)，門的上、下兩邊與門框接觸，門的一側(cè)和門框相接觸，另一測是門扇和門扇接觸，即三面簡支（見圖1）。

1.3 門扇梁架設(shè)計(jì)方案

防護(hù)密閉裝置門扇主要承受珃向沖擊載荷，為提高z向的抗彎強(qiáng)度，門扇采用梁板門結(jié)構(gòu)， 全部采用鋼結(jié)構(gòu)， 梁格為井字分布， 梁架采用工字鋼，梁格周邊為槽鋼，與門洞形狀相匹配，骨架內(nèi)外各焊接一塊面板，以承受內(nèi)外兩側(cè)的載荷，同時(shí)減輕門的總體質(zhì)量（見圖1）。工字鋼、槽鋼、面板的材料均選用抗沖擊能力較強(qiáng)的16號(hào)錳鋼［1］(見表1)。

圖1 某防護(hù)密閉裝置門扇

表1 16號(hào)錳鋼有關(guān)力學(xué)參數(shù)

彈性模量

獷/(N?m-2)密度

ρ/(kg?m-3)泊松比

μ許用應(yīng)力

［σ］/MPa屈服點(diǎn)

［σ璼］/MPa2.06×10117 9000.3240345

在滿足門扇強(qiáng)度和變形要求的情況下，為了減少門扇的質(zhì)量和尺寸，得到合理、優(yōu)化的門扇制作方案，降低門扇制作成本，提出了以下三種門扇梁架設(shè)計(jì)方案（見圖2）。梁架采用40 c工字鋼制作，再焊接20 mm厚面板，借助大型有限元分析軟件ANSYS對其應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，以便得到梁架制作方案。

圖2 防護(hù)密閉裝置結(jié)構(gòu)模型

2 基于ANSYS的門扇有限元分析

ANSYS已發(fā)展為融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。提供了更豐富的單元庫： 前置處理和后處理模塊，具有更友好的人機(jī)交換界面。利用ANSYS的內(nèi)嵌式編程語言APDL（Parametrical Design Language）進(jìn)行有限元模型的建立、求解及后處理； 并方便地對結(jié)構(gòu)的單元類型、幾何拓?fù)洹⒉牧蠈傩?、邊界條件及求解類型等信息進(jìn)行參數(shù)化修改。

2.1 門扇有限元模型的建立

建立結(jié)構(gòu)簡單更有效的有限元分析模型是一門藝術(shù)，它遵循一般的力學(xué)原理，并包含一定經(jīng)驗(yàn)成分。對于防護(hù)密閉門扇裝置而言，單元類型，邊界條件及載荷形式都是影響有限元分析結(jié)果可靠性的重要因素。

在分析中，選取具有一定非線性特性的Beam188梁單元來構(gòu)建門扇梁架的有限元模型，以便準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)的大應(yīng)變大變形。作為梁單元，可直接利用ANSYS的PREP7前處理器來定義梁的截面形狀，并自動(dòng)計(jì)算截面的慣性矩，慣性半徑等參數(shù)，從而使建模過程大大簡化。

2.1.1 梁架截面有限元模型 縱向5 000 mm跨度的梁為主梁，兩端簡支(見圖3)；橫向玠為工字鋼腰厚；玹0為工字鋼平均腿厚；3 000 mm跨度的梁為次梁， 支撐在縱向梁上。 縱、橫玝為工字鋼翼緣寬；玥為工字鋼高度，向梁的連接形式為固接。由于面板被焊接在工字梁上，玹1為面板厚度；獴為門扇折算翼緣寬度?？砂衙姘蹇闯晒ぷ咒撘砭壍囊徊糠郑ㄒ妶D3）建立工字梁截面模型。

圖3 梁單元橫截面2.1.2 梁架有限元模型幾何約束 縱向5 000 mm跨度的主梁，上下兩端與門框接觸，沿玓方向的平動(dòng)及繞y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均被限制，同時(shí)，主梁下端（y=0）沿x、y方向的平動(dòng)自由度也被約束。而橫向3 000 mm跨度的梁兩端均不與門框接觸，呈自由狀態(tài)。

2.1.3 梁架有限元模型載荷約束 按照防護(hù)密閉裝置戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范， 對航、炮彈等爆炸沖擊波， 梁架承受載荷可按突加性線性衰減載荷考慮。 于防護(hù)密閉裝置而言， 其面板承受的等效載荷為0.6 MPa的均布面載荷，整個(gè)面板承受的載荷全部傳遞到工字鋼構(gòu)成的梁架上，經(jīng)計(jì)算，梁的均布線載荷為1.875×105Nm（方案1）、1.915×105Nm（方案2）、1.957×105Nm（方案3）。

圖4 梁架有限元模型2.2 門扇設(shè)計(jì)與優(yōu)化

比較方案1~方案3(見表2)：保持工字鋼型號(hào)（40 c）和面板厚度(mm)不變，結(jié)構(gòu)1質(zhì)量最大，最大應(yīng)力和最大變形也最大；方案2和方案3相比，在體積和質(zhì)量增加不多的情況下，最大應(yīng)力和最大變形卻要小很多。綜合比較，門扇梁架三種設(shè)計(jì)方案中，方案2的設(shè)計(jì)較為合理。

表2 門扇梁架三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

方案主梁數(shù)

/個(gè)次梁數(shù)

/個(gè)最大應(yīng)力

/MPa最大靜變形

/mm質(zhì)量

/t1311349239.6624921814.49.58357254179.51

選取設(shè)計(jì)方案2，門扇梁架采用4根主梁，9根次梁。再改變工字鋼型號(hào)和面板厚度，力求得到更為合理的門扇設(shè)計(jì)模型（見表3）。

表3 門扇應(yīng)力、變形有限元計(jì)算結(jié)果(獴=2.5 b)

工況工字鋼

型號(hào)面板厚度

/mm最大應(yīng)力

/MPa最大靜變形

/mm質(zhì)量

/t140 c1526517.58.42240 c1823515.59.12340 c2021814.49.59436 c2025818.58.83

比較工況1~工況3：保持工字鋼型號(hào)（40 c）不變，面板厚度玹1由15 mm增加為18 mm和20 mm時(shí)，門扇的最大正應(yīng)力迅速地由265 MPa，降低為235 MPa和218 MPa ，呈非線性下降趨勢。最大變形也有明顯下降，表明門扇的承載能力顯著增加。因?yàn)楣ぷ咒撨吘壧幉牧系脑黾涌纱蟠筇岣吡旱膽T性矩，在載荷不變的情況下降低了梁內(nèi)的正應(yīng)力?？梢?，面板不僅起到一定的密封效果，對提高門扇的抗彎強(qiáng)度亦有很大作用（見圖5~圖6）。

圖5 門扇梁架應(yīng)力、變形示意圖

圖6 門扇面板應(yīng)力、變形示意圖

工字鋼由40 c變?yōu)?6 c，工字鋼厚度由15 mm增加到20 mm時(shí)，最大應(yīng)力和最大變形無明顯變化，而面板厚度則由430 mm 降低為400 mm，質(zhì)量無明顯變化。 按設(shè)計(jì)規(guī)范，抗力不大的大中型防護(hù)密閉裝置門扇允許其最大應(yīng)力σ處于容許應(yīng)力（［σ］=240 MPa）與屈服極限之間。為減少門扇尺寸、質(zhì)量及施工量，在保證門扇強(qiáng)度的前提下，選取第四種梁板組合結(jié)構(gòu)： 門扇梁架采用4根主梁， 9根次梁，采用36c工字鋼，兩面焊接20 mm厚鋼板。

3 結(jié)論

在人防工程防護(hù)密閉裝置門扇設(shè)計(jì)中，利用大型有限元分析軟件ANSYS對門扇進(jìn)行應(yīng)力、變形計(jì)算分析，得出了梁架結(jié)構(gòu)、梁架截面大小以及面板厚度和門扇強(qiáng)度、變形之間的關(guān)系，從而確定了梁架制作方案和梁架工字鋼型號(hào)以及面板厚度，得到較為合理的門扇設(shè)計(jì)方案，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)降低了門扇的自重（減小約0.8t）和尺寸（厚度減少30 mm）。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊?1［M］．第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：47-52．

［２］ 曹平周，朱召泉．鋼結(jié)構(gòu)［M］．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1999．

［3］ 東北工學(xué)院．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊（上）［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1980．

［4］ 楊榮柏.機(jī)械結(jié)構(gòu)分析的有限元法［M］．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1989．

［5］ 陳江洪，劉海江．基于綱結(jié)構(gòu)有限元分析軟件的地鐵隔斷門門扇結(jié)構(gòu)分析［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30（7）：872-875．

［6］ 孫玉國 ,劉海江．升降式防密門扇靜力及動(dòng)力有限元分析［J］．振動(dòng)測試與診斷，2003，23(4)：271-272．

(責(zé)任編輯：何學(xué)華)