張大治，薛海瑞，秦 剛，魚江俠

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

直升機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置是用于懸掛、發(fā)射或投放機載導(dǎo)彈的機電一體化產(chǎn)品，其特征是在導(dǎo)彈發(fā)射時賦予導(dǎo)彈一定的初速度和初始射向，是直升機載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]。

機載發(fā)射裝置作為紐帶承擔(dān)導(dǎo)彈在載機上的安裝、懸掛和發(fā)射[2]，應(yīng)具有足夠的強度和剛度,結(jié)構(gòu)元件能耐受振動和沖擊，以確保在各種力學(xué)環(huán)境中，實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能。發(fā)射裝置力學(xué)環(huán)境主要指在起飛、著陸、掛飛、發(fā)射和運輸過程中需要承受的氣動力、慣性力以及導(dǎo)彈傳遞的集中力，表現(xiàn)為靜載、振動、沖擊等[3]。

發(fā)射裝置架體是發(fā)射裝置的骨架和主要承力件，其強度和剛度決定了發(fā)射裝置是否能在各種力學(xué)環(huán)境中正常工作。由于架體構(gòu)型較為復(fù)雜，以往直升機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置架體多采用鋁合金鑄造一體成型，但在發(fā)射裝置生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，雖然鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的架體構(gòu)型，但是也存在著產(chǎn)品重量一致性差、內(nèi)部鑄造缺陷不易發(fā)現(xiàn)、鑄造成品率較低、滿足航空產(chǎn)品鑄造要求的廠家有限等問題。文中提出了將發(fā)射裝置架體設(shè)計為上、中、下架及底板等共六部分組合的設(shè)計方案，通過機加成型、組合安裝，解決上述問題。

1 發(fā)射裝置架體結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)射裝置架體設(shè)計為上架、前中架、后中架、前下架、后下架、底板六部分組成，相互間設(shè)計有安裝定位接口，并通過螺栓連接為一個整體，見圖1。上述組成發(fā)射裝置架體的6個部分，均采用鋁合金預(yù)拉伸板機加成型，這樣避免了鑄造成型所帶來的重量一致性差、內(nèi)部缺陷、成品率較低、滿足要求的鑄造廠家有限的問題。

圖1 發(fā)射裝置架體組成

上架和下架的左、右兩邊各安裝有一根發(fā)射導(dǎo)軌(共4條導(dǎo)軌)，每根導(dǎo)軌可掛裝一發(fā)導(dǎo)彈。上架上部有兩個吊耳安裝接口，安裝吊耳后，發(fā)射裝置可掛裝于直升機的隨動掛架下。為了減小飛行阻力及導(dǎo)彈發(fā)射時發(fā)動機尾焰對發(fā)射裝置的影響，在架體前部設(shè)計了整流罩。

2 架體結(jié)構(gòu)的有限元計算

發(fā)射裝置在掛裝、運載導(dǎo)彈，并隨載機掛飛的過程中，要承受載機平臺的振動、沖擊等復(fù)雜惡劣的力學(xué)環(huán)境。同時，架體是發(fā)射裝置的骨架和主要承力件，是安裝導(dǎo)軌總成、發(fā)控單元等零、部件的基體；架體上設(shè)計有吊耳安裝接口和止動器支撐座，用于與載機掛裝。

由于該發(fā)射裝置架體是通過螺栓將上架、前中架、后中架、前下架、后下架、底板6個部分組合安裝在一起的，其結(jié)構(gòu)強度能否滿足相關(guān)的振動、沖擊要求，就顯得非常關(guān)鍵和重要。

設(shè)計中，采用ANSYS有限元軟件，對發(fā)射裝置架體在振動、沖擊環(huán)境下的工作情況，進行有限元分析計算。

2.1 創(chuàng)建有限元模型

通過在UG中對架體建模，并將架體模型導(dǎo)入ANSYS中，對模型進行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，如圖2所示。

圖2 發(fā)射裝置有限元模型

2.2 施加約束條件

發(fā)射裝置在直升機隨動掛架上的連接方式為：前后吊耳受向上的拉力、發(fā)射裝置前后左右4個止動面受向下的壓力，拉力和壓力共同作用，將發(fā)射裝置固定在載機的隨動掛架下。在分析時，將前后吊耳及4個止動面設(shè)置為固定約束，模擬發(fā)射裝置與隨動掛架的連接。約束條件施加見圖3。

將上架、前中架、后中架、前下架、后下架、底板6個部分之間的安裝定位面設(shè)置為接觸面，螺栓連接設(shè)置為綁定約束，模擬其組合安裝。

圖3 模型約束條件

在發(fā)射裝置上安裝4發(fā)重量和重心與導(dǎo)彈一樣的質(zhì)量點。此外，還對模型施加了豎直向下的標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。

2.3 隨機振動分析計算

在發(fā)射裝置隨載機掛飛的過程中，直升機組合外掛的環(huán)境特性是復(fù)雜的周期波形[4]，依據(jù)GJB150.16A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法：振動試驗及某型直升機的振動條件，對發(fā)射裝置在X(軸向)、Y(垂向)、Z(側(cè)向)3個方向進行了隨機振動分析計算。

在分析計算中，將按照基于高斯分布的三區(qū)間法，得到3σ應(yīng)力，3個方向的分析結(jié)果見圖4、圖5、圖6。應(yīng)力最大值233.3 MPa，發(fā)生在X向隨機振動時的發(fā)射裝置架體上。發(fā)射裝置的架體材料的σb=395 MPa，σs=285 MPa，最大應(yīng)力值未超過架體材料的屈服強度，變形為彈性變形。

圖4 發(fā)射裝置X向(軸向)隨機振動3σ應(yīng)力圖

2.4 沖擊分析計算

在發(fā)射裝置隨載機掛飛的過程中，承受載機平臺的沖擊載荷，此種沖擊載荷在沒有實際測量數(shù)據(jù)時，可用經(jīng)典脈沖的沖擊復(fù)現(xiàn)沖擊波形[5]。采用表1的沖擊條件，對發(fā)射裝置在X(軸向)、Y(垂向)、Z(側(cè)向)3個方向進行沖擊分析計算。

沖擊載荷為20g后峰鋸齒波，持續(xù)時間為11 ms，3個軸向的分析結(jié)果見圖7、圖8、圖9。應(yīng)力最大值201.44 MPa，發(fā)生在Z向沖擊時的發(fā)射裝置架體上，最大應(yīng)力值小于架體材料屈服強度，材料屬于彈性變形，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖5 發(fā)射裝置Y向(垂向)隨機振動3σ應(yīng)力圖

圖6 發(fā)射裝置Z向(側(cè)向)隨機振動3σ應(yīng)力圖

表1 沖擊條件

圖7 發(fā)射裝置X(軸向)沖擊應(yīng)力圖

圖8 發(fā)射裝置Y(垂向)沖擊應(yīng)力圖

3 試驗驗證

隨機振動、沖擊是對發(fā)射裝置架體的材料疲勞性能和結(jié)構(gòu)強度的考核，分析計算結(jié)果的應(yīng)力值可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考，但為了驗證該型發(fā)射裝置架體組合設(shè)計方案的可行性，最終還要通過實驗室的隨機振動、沖擊試驗來對架體結(jié)構(gòu)進行試驗考核。

圖9 發(fā)射裝置Z(側(cè)向)沖擊應(yīng)力圖

試驗中，將重量、重心與導(dǎo)彈一致的配重彈掛裝于發(fā)射裝置導(dǎo)軌上，并通過專用的振動工裝，將發(fā)射裝置安裝于振動試驗臺上。分別按照隨機振動條件和沖擊條件，控制振動試驗臺，對發(fā)射裝置進行隨機振動試驗和沖擊試驗的考核。試驗結(jié)果表明，該型發(fā)射裝置的組合式架體工作正常，滿足結(jié)構(gòu)性能的要求。

4 結(jié)論

針對以往直升機載導(dǎo)彈發(fā)射裝置架體多采用鑄造一體成型，存在著產(chǎn)品重量一致性差、內(nèi)部鑄造缺陷不易發(fā)現(xiàn)、鑄造成品率較低、滿足要求的鑄造廠家有限等問題。提出了將發(fā)射裝置架體設(shè)計為6個部分，通過機加成型、組合安裝解決上述問題。此設(shè)計方案在保證發(fā)射裝置架體氣動外形不變的條件下，發(fā)射裝置架體的重量一致性好,便于輕量化設(shè)計；成本與鑄造方案相當(dāng)(考慮到鑄件廢品率較高的因素)；可以通過更換零件對發(fā)射裝置架體進行維修，維修性較鑄造方案好。

通過ANSYS軟件對該發(fā)射裝置進行建模與分析計算，并進行了隨機振動試驗和沖擊試驗的考核。表明該型發(fā)射裝置架體的組合設(shè)計方案可行，滿足結(jié)構(gòu)性能的要求。