王本國，趙斌陶，艾秀峰

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

在導彈的起落和飛行過程中，會受到環(huán)境噪聲、沖擊振動等動態(tài)力學載荷的影響，它們會通過導彈外殼和內部結構傳遞到電視導引頭上，進而影響電視導引頭的成像質量和可靠性，而沖擊振動對其結構和性能的影響是最為致命的。文章采用有限元理論，對某電視成像導引頭結構建模仿真，在此基礎上進行隨機振動響應分析，通過應力應變分布的計算，評估導引頭的環(huán)境適應能力。

1 理論基礎及分析方法

1.1 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是一切動力學分析的基礎，諧響應分析、隨機振動分析、響應譜分析等都是在模態(tài)分析的基礎上進行的，模態(tài)分析可以求得結構體各階固有頻率及其振型。導引頭結構體是由無限多自由度的彈性體組成的，運用有限元分析方法中的彈性力學理論，將導引頭結構分為多個有限自由度的線性系統(tǒng)，通過運動微分方程可對此線性系統(tǒng)在外介載荷作用下求得固有頻率及其各階振型，進一步求得隨機振動頻譜響應。

2 導引頭有限元模型

2.1 有限元模型描述

模態(tài)分析前，將導引頭光學組件和電子艙組件簡化為質量點，對外殼、內外框架、驅動電機、角接觸軸承、電子碼盤等主要結構件和元器件進行網(wǎng)格劃分。

2.2 主要材料屬性

組成導引頭結構的材料比較多，結構件采用材料有合結鋼（45 鋼）、硬鋁（AL12）、黃銅（H62），光學件采用材料有硫化鋅硅（Si）、（ZnS）、電路板（PCB）及硅橡膠，具體屬性值見表1。

2.3 載荷及邊界條件

該電視導引頭結構在起落和空中飛行時，主要受到三個方向上的載荷沖擊，分別為X 向（軸線方向）、Y 向（法線方向，即垂直與軸線）和Z 向（橫向），在運動過程中并沒有轉動激勵，因此橫滾向載荷干擾可以忽略，我們只對X 向、Y 向和Z 向進行分析。

表1 主要材料屬性

導引頭飛行時產生的振動通過本體與彈體安裝面?zhèn)鬟f至導引頭上，所以在本體與彈體安裝面上施加隨機振動載荷，載荷曲線如圖1 所示，方向加載在為X、Y、Z 三個方向。沖擊類型為沖擊響應譜沖擊，條件如圖2 和圖3 所示。

圖1 隨機振動功率譜

圖2 X 向沖擊條件

圖3 Y 向和Z 向沖擊條件

3 仿真結果

導彈在飛行過程中是一個自由體，而導引頭只是彈體的一個艙段，實際飛行過程中，導引頭后端被限制處于約束狀態(tài)，所以在進行力學分析時，應該在導引頭本體與彈體接觸后端面上實加約束。我們假設驅動電機峰值力矩滿足條件，伺服控制系統(tǒng)保持零位。使用ANSYS Workbench 有限元分析軟件進行仿真分析。隨機振動仿真結果在X、Y、Z 三向同時加載，導引頭結構的應力響應如圖4 所示。

圖4 導引頭結構的應力響應圖

圖5 導引頭結構的應力響應圖

圖6 小軸結構的應力響應圖

對導引頭結構進行力學響應分析時，主要關心的是整體結構的應力應變分布。其中，最大應力發(fā)生在本體中間的支柱根本，為139.09MPa（3σ），應力值遠小于本體零件材料2A12 T4 的屈服極限255MPa，零件不會發(fā)生斷裂和塑性變形，也可以經(jīng)受長時間隨機振動具有較好的抵抗疲勞能力。在X、Y、Z 三向同時加載，導引頭結構的應力響應如圖5 所示。

其中，最大應力發(fā)生在連接框架的小軸上，應力值均小于了軸材料1Cr17Ni2 的屈服極限1080MPa，設計在屬于局部應力集中處加了較大倒圓角，因此這些局部的應力會大幅下降。

將軸的應力云圖放大后，如圖6 所示，可見，除去極小的尖角處以外，軸的應力全部在屈服極限930MPa 以內，小軸可以同時承受三個方向大量級的沖擊。

4 結語

根據(jù)導引頭實際結構建模，利用 ANSYS 有限元分析軟件對導引頭進行了隨機振動響應分析和沖擊響應譜分析，得出如下結論：從各零部件產生的應力分布來看，零件不會發(fā)生斷裂和塑性變形，也可以經(jīng)受長時間隨機振動，具有較好的環(huán)境適應性。