防护密闭装置门扇结构分析

摘 要：门扇作为防护密闭装置的直接受力构件，影响着防护密闭装置的防护效果和使用。通过对大型钢结构门扇制作的分析，采用有限元分析方法并借助大型有限元分析软件ANSYS，分析门扇的应力分布并计算各点位移，进而对门扇梁架结构设计方案进行探讨，在得出合理的梁架结构设计方案后，通过改变梁架截面尺寸和面板厚度，了解其对门扇的最大弯曲应力和抗弯效果的影响，最终得出合理的门扇制作模型，在保证门扇结构强度的同时优化了门扇质量和尺寸，确保门扇结构的安全性和制造的经济，也为同类型的门扇设计提供理论基础。

关键词：防护密闭装置；门扇；优化；有限元分析；ANSYS

中图分类号：TU228文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0030-04

收稿日期：2007-05-30

作者简介：方林中（1972-），男，安徽池州人，讲师，在读博士，主要从事机电一体化技术（机器人应用）专业教学工作。

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

人防工程需要在进出口处设置能承受双向冲击波载荷的防护密闭装置。现代防护密闭装置通常采用全钢制作，体积和质量都很大，而门扇作为防护密闭装置的直接受力构件，需要在恶劣环境下承受高强度的冲击载荷，怎样在保证门扇工作可靠性和结构强度的同时，尽量减少门扇体积和质量、降低制作成本？ 本文采用有限元分析方法，对门扇梁架结构设计方案进行了探讨。

1防护密闭装置门扇设计

1.1 门扇制作分析

钢结构是防护密闭装置主要结构型式之一，在目前防护工程中应用十分广泛。常用的有梁板门和拱形门两种基本类型，考虑到加工方便和正反受力情况良好，梁板门应用最为广泛。为了使门扇能承受内、外两侧的载荷，同时减轻门扇的总体质量，门扇梁架可用工字钢焊接而成，内、外再各焊接一定厚度的面板。这种结构的防护密闭装置适用于跨度较大而抗力较低的大、中型防护装置，制作时可将梁、板分开制作，然后再进行装配。

门扇梁架一般用工字钢加工，制成井字梁系（见图2），梁系四周再焊接槽钢成一整体。制作时，梁系宜设置主、次梁，主梁受力大，不宜切断，次梁可切断焊接在主梁上。为使梁受力均匀，减小门扇厚度，主、次梁采用齐平连接，即水平次梁与主梁的上翼缘表面齐平，都直接与面板相连。其优点是：井字梁与面板形成刚性的整体，面板为四边支承，受力条件好；可以把部分面板作为梁截面的一部分，以减少井字梁的用钢量。井字梁梁系在平面上宜做成正方形，如必须做成长方形，则其长短边之比不宜大于1∶5。一般情况下这种井字梁系梁板门宜做成单扇，如做成双扇，可在自由边增加大梁，以保证其有足够的刚度。

1.2 门扇参数

某防护密闭装置门框内环尺寸：门洞高獺=5 000 mm，门洞宽玏=6 000 mm；采用双扇门，正、反面受载时，门的上、下两边与门框接触，门的一侧和门框相接触，另一测是门扇和门扇接触，即三面简支（见图1）。

1.3 门扇梁架设计方案

防护密闭装置门扇主要承受珃向冲击载荷，为提高z向的抗弯强度，门扇采用梁板门结构， 全部采用钢结构， 梁格为井字分布， 梁架采用工字钢，梁格周边为槽钢，与门洞形状相匹配，骨架内外各焊接一块面板，以承受内外两侧的载荷，同时减轻门的总体质量（见图1）。工字钢、槽钢、面板的材料均选用抗冲击能力较强的16号锰钢［1］(见表1)。

图1 某防护密闭装置门扇

表1 16号锰钢有关力学参数

弹性模量

獷/(N•m-2)密度

ρ/(kg•m-3)泊松比

μ许用应力

［σ］/MPa屈服点

［σ璼］/MPa2.06×10117 9000.3240345

在满足门扇强度和变形要求的情况下，为了减少门扇的质量和尺寸，得到合理、优化的门扇制作方案，降低门扇制作成本，提出了以下三种门扇梁架设计方案（见图2）。梁架采用40 c工字钢制作，再焊接20 mm厚面板，借助大型有限元分析软件ANSYS对其应力和变形进行分析，以便得到梁架制作方案。

图2 防护密闭装置结构模型

2 基于ANSYS的门扇有限元分析

ANSYS已发展为融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。提供了更丰富的单元库： 前置处理和后处理模块，具有更友好的人机交换界面。利用ANSYS的内嵌式编程语言APDL（Parametrical Design Language）进行有限元模型的建立、求解及后处理； 并方便地对结构的单元类型、几何拓扑、材料属性、边界条件及求解类型等信息进行参数化修改。

2.1 门扇有限元模型的建立

建立结构简单更有效的有限元分析模型是一门艺术，它遵循一般的力学原理，并包含一定经验成分。对于防护密闭门扇装置而言，单元类型，边界条件及载荷形式都是影响有限元分析结果可靠性的重要因素。

在分析中，选取具有一定非线性特性的Beam188梁单元来构建门扇梁架的有限元模型，以便准确地描述结构的大应变大变形。作为梁单元，可直接利用ANSYS的PREP7前处理器来定义梁的截面形状，并自动计算截面的惯性矩，惯性半径等参数，从而使建模过程大大简化。

2.1.1 梁架截面有限元模型 纵向5 000 mm跨度的梁为主梁，两端简支(见图3)；横向玠为工字钢腰厚；玹0为工字钢平均腿厚；3 000 mm跨度的梁为次梁， 支撑在纵向梁上。 纵、横玝为工字钢翼缘宽；玥为工字钢高度，向梁的连接形式为固接。由于面板被焊接在工字梁上，玹1为面板厚度；獴为门扇折算翼缘宽度。可把面板看成工字钢翼缘的一部分（见图3）建立工字梁截面模型。

图3 梁单元横截面2.1.2 梁架有限元模型几何约束 纵向5 000 mm跨度的主梁，上下两端与门框接触，沿玓方向的平动及绕y、z方向的转动自由度均被限制，同时，主梁下端（y=0）沿x、y方向的平动自由度也被约束。而横向3 000 mm跨度的梁两端均不与门框接触，呈自由状态。

2.1.3 梁架有限元模型载荷约束 按照防护密闭装置战术、技术设计规范， 对航、炮弹等爆炸冲击波， 梁架承受载荷可按突加性线性衰减载荷考虑。 于防护密闭装置而言， 其面板承受的等效载荷为0.6 MPa的均布面载荷，整个面板承受的载荷全部传递到工字钢构成的梁架上，经计算，梁的均布线载荷为1.875×105Nm（方案1）、1.915×105Nm（方案2）、1.957×105Nm（方案3）。

图4 梁架有限元模型2.2 门扇设计与优化

比较方案1~方案3(见表2)：保持工字钢型号（40 c）和面板厚度(mm)不变，结构1质量最大，最大应力和最大变形也最大；方案2和方案3相比，在体积和质量增加不多的情况下，最大应力和最大变形却要小很多。综合比较，门扇梁架三种设计方案中，方案2的设计较为合理。

表2 门扇梁架三种结构设计计算结果

方案主梁数

/个次梁数

/个最大应力

/MPa最大静变形

/mm质量

/t1311349239.6624921814.49.58357254179.51

选取设计方案2，门扇梁架采用4根主梁，9根次梁。再改变工字钢型号和面板厚度，力求得到更为合理的门扇设计模型（见表3）。

表3 门扇应力、变形有限元计算结果(獴=2.5 b)

工况工字钢

型号面板厚度

/mm最大应力

/MPa最大静变形

/mm质量

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

比较工况1~工况3：保持工字钢型号（40 c）不变，面板厚度玹1由15 mm增加为18 mm和20 mm时，门扇的最大正应力迅速地由265 MPa，降低为235 MPa和218 MPa ，呈非线性下降趋势。最大变形也有明显下降，表明门扇的承载能力显著增加。因为工字钢边缘处材料的增加可大大提高梁的惯性矩，在载荷不变的情况下降低了梁内的正应力。可见，面板不仅起到一定的密封效果，对提高门扇的抗弯强度亦有很大作用（见图5~图6）。

图5 门扇梁架应力、变形示意图

图6 门扇面板应力、变形示意图

工字钢由40 c变为36 c，工字钢厚度由15 mm增加到20 mm时，最大应力和最大变形无明显变化，而面板厚度则由430 mm 降低为400 mm，质量无明显变化。 按设计规范，抗力不大的大中型防护密闭装置门扇允许其最大应力σ处于容许应力（［σ］=240 MPa）与屈服极限之间。为减少门扇尺寸、质量及施工量，在保证门扇强度的前提下，选取第四种梁板组合结构： 门扇梁架采用4根主梁， 9根次梁，采用36c工字钢，两面焊接20 mm厚钢板。

3 结论

在人防工程防护密闭装置门扇设计中，利用大型有限元分析软件ANSYS对门扇进行应力、变形计算分析，得出了梁架结构、梁架截面大小以及面板厚度和门扇强度、变形之间的关系，从而确定了梁架制作方案和梁架工字钢型号以及面板厚度，得到较为合理的门扇设计方案，在保证结构强度的同时降低了门扇的自重（减小约0.8t）和尺寸（厚度减少30 mm）。

参考文献：

［1］ 徐灏．机械设计手册•1［M］．第2版.北京：机械工业出版社，2000：47-52．

［２］ 曹平周，朱召泉．钢结构［M］．北京：科学技术文献出版社，1999．

［3］ 东北工学院．机械零件设计手册（上）［M］．北京：冶金工业出版社，1980．

［4］ 杨荣柏.机械结构分析的有限元法［M］．武汉：华中理工大学出版社，1989．

［5］ 陈江洪，刘海江．基于纲结构有限元分析软件的地铁隔断门门扇结构分析［J］．同济大学学报，2002，30（7）：872-875．

［6］ 孙玉国 ,刘海江．升降式防密门扇静力及动力有限元分析［J］．振动测试与诊断，2003，23(4)：271-272．

(责任编辑：何学华)