賈 森 劉安琴 單瑞霞 蘭公英 劉鵬飛

1 煙臺(tái)理工學(xué)院 煙臺(tái) 264000 2 煙臺(tái)鋯孚海洋工程科技有限公司 煙臺(tái) 26400 3 煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司 煙臺(tái) 26400

0 引言

起豎裝置是海上發(fā)射衛(wèi)星起豎火箭的關(guān)鍵部分，起豎的精確性及模式?jīng)Q定了發(fā)射效率[1]。隨著近年來對(duì)起豎裝置的需求增大，對(duì)起豎裝置的設(shè)計(jì)制造也提出新的要求[2]，而下夾鉗是起豎裝置的重要執(zhí)行部件之一，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸火箭及起豎工況中占有重要位置。

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是下夾鉗連接到起豎架的重要部件之一，在火箭運(yùn)輸、不同起豎角度等工況下固定鎖緊箭體并維持箭體的穩(wěn)定狀態(tài)，有極其重要的作用[3]，故對(duì)下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有極為重要的實(shí)踐意義。本文依托 Abaqus 有限元分析軟件對(duì)下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，得出了下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在各工況下的應(yīng)力分布及變形情況，并通過調(diào)整受載區(qū)域獲得最大變形及應(yīng)力，其結(jié)果對(duì)下夾鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和薄弱區(qū)域的加強(qiáng)及合理優(yōu)化具有一定的技術(shù)指導(dǎo)意義。

1 下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，起豎架下夾鉗的結(jié)構(gòu)主要由三角架、基座、調(diào)整液壓缸、導(dǎo)向單元等組成，各構(gòu)件通過銷軸連接。該結(jié)構(gòu)中的起豎架主要用于將火箭從水平狀態(tài)起豎到垂直狀態(tài)，起豎架為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，起豎架的2 個(gè)縱梁之間設(shè)有多個(gè)橫梁，每個(gè)橫梁上設(shè)有1 個(gè)上表面為凹面的均載托座，均載托座的凹形上表面的直徑和與之接觸的火箭各部位的直徑相對(duì)應(yīng)，以此保證火箭運(yùn)輸工程中各點(diǎn)受力均勻。起豎架靠近艏部的位置設(shè)有上夾鉗，起豎架靠近尾部的位置設(shè)有下夾鉗?；鸺谶\(yùn)輸狀態(tài)和起豎狀態(tài)通過下夾鉗上水平套筒上的鎖箭銷連接，并通過水平調(diào)整液壓缸和導(dǎo)向套筒作用在基座的眼板上。

2 下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的有限元分析

結(jié)合某海上火箭起豎系統(tǒng)下夾鉗導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件Abaqus，對(duì)下夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)證，并對(duì)比各工況下的應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確立最后設(shè)計(jì)方案。該分析模型在保證分析精度和表達(dá)結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，應(yīng)精簡(jiǎn)夾鉗結(jié)構(gòu)的非必要特征[4]。

2.1 優(yōu)化下夾鉗模型建立

火箭發(fā)射起豎架下夾鉗的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為三維空間板殼焊接結(jié)構(gòu)，模型采用板殼結(jié)構(gòu)，局部起豎架、橫梁、三角板、基座、液壓缸眼板等結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸建立，并進(jìn)行合理精簡(jiǎn)。下夾鉗模型如圖2所示。

圖2 下夾鉗三維模型圖

1）各板材之間的焊接為滿焊，焊縫強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)相同，不考慮焊接拼接材料間材料特性的變化。

2）忽略下夾鉗結(jié)構(gòu)中不影響整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的配件、小附件以及較小的開口孔，結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角等進(jìn)行直角化。

3）忽略裝配誤差焊接誤差。

為了選取三角架和基座的聯(lián)接螺栓，單獨(dú)取三角架作為計(jì)算對(duì)象建立模型，如圖3所示。

2.2 下夾鉗支撐基座材料屬性

海上火箭發(fā)射的溫度變化范圍為-20℃～40℃，起豎裝置下夾鉗的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)滿足該范圍，該下夾鉗支承基座材料根據(jù)應(yīng)力范圍，高應(yīng)力區(qū)選用EQ690，低應(yīng)力區(qū)域選用EH355，這2 種材料的屬性如表1所示。

表1 下夾鉗支承基座材料參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況分析

通過對(duì)比起豎架各工況的應(yīng)力應(yīng)變及提取的載荷信息，下夾鉗的強(qiáng)度計(jì)算選擇運(yùn)輸和起豎90°的工況。其中，運(yùn)輸工況需考慮火箭在運(yùn)輸過程中可能發(fā)生的突然起步、剎車、轉(zhuǎn)彎、路面不平等情況。

對(duì)于下夾鉗整體單元結(jié)構(gòu)起豎工況強(qiáng)度分析，起豎工況邊界條件為整體模型的約束條件，銷軸可約束法向的位移，擋板可約束火箭長(zhǎng)度方向的位移。為了使模型擁有足夠的約束而使軟件可以計(jì)算，中間約束Y向位移；局部三腳架結(jié)構(gòu)螺栓約束局部Z向位移，后擋塊約束X向位移，側(cè)擋快約束Y向位移。

對(duì)于下夾鉗整體單元結(jié)構(gòu)運(yùn)輸工況強(qiáng)度分析，前擋塊約束X向位移，側(cè)擋板約束Y向位移，橫梁底部約束Z向位移，鎖扣約束Y向和Z向位移；局部三腳架結(jié)構(gòu)螺栓約束Z 向位移，前后擋塊約束X向位移，側(cè)擋快約束Y向位移。運(yùn)輸狀態(tài)下夾鉗約束情況如表2所示，螺栓選取模型約束情況如表3所示。在表2、表3 中，1 代表約束，0 代表自由。

表2 下夾鉗運(yùn)輸工況約束情況

表3 螺栓選取約束情況

2.4 受力分析及載荷施加

下夾鉗支承單元結(jié)構(gòu)作為一個(gè)復(fù)雜的空間體系，在運(yùn)輸、起豎等工況時(shí)需承受火箭對(duì)下夾鉗的作用、風(fēng)載、自重及環(huán)境加速度的綜合作用。其中，火箭運(yùn)輸工況需同步考慮到忽然起步、加速、減速、停車、轉(zhuǎn)彎、路面坑洼等情況，同時(shí)考慮風(fēng)從各方向的施加，對(duì)下夾鉗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)考慮多種載荷的組合疊加。綜合考慮起豎裝置及下夾鉗的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、受力特點(diǎn)及起豎架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的載荷提取情況，本文僅選取運(yùn)輸工況和起豎90°工況作為計(jì)算工況，其結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 下夾鉗支承結(jié)構(gòu)布置圖

起豎工況的主要設(shè)計(jì)載荷包括起豎過程中火箭對(duì)下夾鉗的載荷、風(fēng)載荷及機(jī)構(gòu)自重等，其中火箭對(duì)下夾鉗的載荷分別通過水平調(diào)整液壓缸和導(dǎo)向套筒作用于軸1眼板和軸2 眼板，風(fēng)載及風(fēng)傾力矩分別作用在軸2 眼板。根據(jù)規(guī)范要求，考慮1.2 倍載荷系數(shù)，同時(shí)考慮垂向自重并考慮1.2 倍的重力加速度。起豎工況輸入載荷如表4所示。

表4 下夾鉗支承輸入載荷-起豎工況 kN

運(yùn)輸工況的主要設(shè)計(jì)載荷包括運(yùn)輸過程中突然起步、突然剎車工況火箭對(duì)下夾鉗的載荷及機(jī)構(gòu)自重，同時(shí)疊加路面不平引起的垂向加速度，其中火箭對(duì)下夾鉗的載荷分別通過水平調(diào)整液壓缸和導(dǎo)向套筒作用于軸1眼板和軸2 眼板?？紤]1.2 倍載荷系數(shù)，同時(shí)考慮垂向1.0倍重力加速度疊加縱向1.0 倍加速度。運(yùn)輸工況輸入載荷如表5所示。

表5 下夾鉗支承輸入載荷-運(yùn)輸工況 kN

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 許用應(yīng)力

火箭起豎架下夾鉗布置方案為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)各布置1 套單元，分析時(shí)僅考慮1 套單元，并將設(shè)計(jì)載荷施加在軸1 耳板和軸2 耳板處，考慮風(fēng)載分別從左右2 個(gè)方向施加，考慮環(huán)境加速度分別從箭艏和箭艉方向施加，通過計(jì)算得到下夾鉗的有限元分析結(jié)果。

綜合考慮起豎裝置的實(shí)際工作情況、荷載施加情況、設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差、加工情況、使用情況等各種不定性及廠家需求，安全系數(shù)取2.0，許可應(yīng)力為

式中：σs為指定材料的屈服極限，F(xiàn)·S為選取的安全系數(shù)。

EQ690 材料的許可應(yīng)力值為345 MPa，EH355 材料的許可應(yīng)力值為177.5 MPa。

3.2 原結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

對(duì)下夾鉗三腳架及基座進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知，各工況的結(jié)構(gòu)均不滿足要求，主要反映在和起豎架連接區(qū)域、軸1 眼板及連接處、軸2 眼板及連接處。另外，三腳架中間開孔處材料利用率較低，故應(yīng)從3 方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 下夾鉗基座原結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

1）火箭運(yùn)輸過程中垂直向上的加速度及縱向的加速度引起的載荷，由鎖箭銷通過軸1 眼板和軸2 眼板傳遞到三角板，致使眼板及連接區(qū)域不滿足要求，故應(yīng)對(duì)眼板及連接區(qū)域進(jìn)行修改。

2）火箭起豎過程中火箭對(duì)下夾鉗的載荷由鎖箭銷通過軸1 眼板和軸2 眼板傳遞到基座，致使基座及連接區(qū)域不滿足要求，故應(yīng)對(duì)基座及連接區(qū)域進(jìn)行修改。

3）應(yīng)力較小區(qū)域，如三角板中間處材料的利用率較低，應(yīng)對(duì)三角板結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，減少材料使用。

同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠的區(qū)域進(jìn)行更換材料級(jí)別。

3.3 優(yōu)化后屈服強(qiáng)度校核結(jié)果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后起豎工況橫向風(fēng)載從右向左吹的計(jì)算結(jié)果如表6所示，起豎工況橫向風(fēng)載從左向右吹的計(jì)算結(jié)果如表7所示，運(yùn)輸工況慣性加速度朝向箭艏、箭艉的計(jì)算結(jié)果如表8、表9所示。

表6 起豎工況橫向風(fēng)載從右向左吹計(jì)算結(jié)果

表7 起豎工況橫向風(fēng)載從左向右吹計(jì)算結(jié)果

表8 運(yùn)輸工況-慣性加速度朝向箭艏計(jì)算結(jié)果

表9 運(yùn)輸工況-慣性加速度朝向箭艉計(jì)算結(jié)果

下夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化后強(qiáng)度均滿足要求，由表6 可知，起豎工況橫向風(fēng)載從右朝左吹時(shí)，最高利用率為0.77，作用于2 種材料等級(jí)的交接處，且眼板處應(yīng)力及連接區(qū)域應(yīng)力由原有的683 MPa 變?yōu)?13 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。由表7 可知，起豎工況橫向風(fēng)載轉(zhuǎn)向時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，結(jié)果類似，最高利用率為0.76，作用在三角臂材料等級(jí)的交接處，且眼板處應(yīng)力及連接區(qū)域應(yīng)力均小于許可值，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，證明優(yōu)化方案是可行的。

由表8、表9 可知，突然起步時(shí)加速度向前，最高利用率為0.78，作用于眼板處，應(yīng)力由原有的542 MPa變?yōu)?68.6 MPa；突然剎車時(shí)加速度向后，最高利用率為0.85，作用于眼板處，應(yīng)力由原有的542 MPa 變?yōu)?94.2 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，證明優(yōu)化方案可行。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，各工況在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后最大屈服應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后下夾鉗應(yīng)力云圖

由圖6 可知，該下夾鉗結(jié)構(gòu)起豎工況最大應(yīng)力發(fā)生在與起豎架的連接處，分別為235.6 MPa、253 MPa；運(yùn)輸工況最大應(yīng)力發(fā)生于眼板處，分別為268.6 MPa、294.2 MPa ；最大利用率為0.85，屈服強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果

各工況下夾鉗基座的變形結(jié)果如表10所示。剛度滿足設(shè)計(jì)要求，故該下夾鉗支承基座的強(qiáng)度及剛度均滿足結(jié)構(gòu)要求。

表10 下夾鉗基座變形結(jié)果 mm

3.5 螺栓支反力

各工況下夾鉗基座和起豎架連接螺栓支反力信息的分布情況如圖7所示。螺栓從艉部到艏部，編號(hào)依次為1～15，圖10a 為橫向風(fēng)載朝左時(shí)的起豎90°工況，圖10b 為橫向風(fēng)載朝右時(shí)的起豎90°工況，圖10c 為慣性加速度朝向箭艏時(shí)運(yùn)輸工況，圖10d 為慣性加速度朝向箭艏時(shí)運(yùn)輸工況。其中，系列1 指內(nèi)側(cè)螺栓，系列2 指外側(cè)螺栓。

圖7 下夾鉗螺栓支反力分布圖

由圖10a 可知，起豎90°-橫向風(fēng)載朝左時(shí)，最大螺栓支反力為223.02 kN，發(fā)生在距離箭艉第2 顆螺栓的內(nèi)側(cè)；由圖10b 可知，起豎90°-橫向風(fēng)載朝右時(shí)，最大螺栓支反力為220.333 kN，發(fā)生在距離箭艉第2 顆螺栓的外側(cè)；由圖10c 可知，運(yùn)輸工況-慣性加速度朝向箭艏時(shí)，最大螺栓支反力為182.816 kN，發(fā)生在距離箭艉第2 顆螺栓的內(nèi)側(cè)；由圖10d 可知，運(yùn)輸工況-慣性加速度朝向箭艉時(shí)，最大螺栓支反力為111.704 kN，發(fā)生在距離箭艏第3 顆螺栓的外側(cè)。

根據(jù)各工況支反力分布圖可知，連接最外側(cè)螺栓及靠近艏部和艉部的連接螺栓受力較大，中間的螺栓連接載荷較小，最大值223.02 kN，選擇螺栓如果采用同一型號(hào)的螺栓，應(yīng)使其滿足最大受力要求。若考慮經(jīng)濟(jì)性，可采用2 種型號(hào)的螺栓連接，兩端選擇較大型號(hào)螺栓，滿足最大受力要求，中間選擇較小型號(hào)螺栓，以減小螺栓孔尺寸。

4 結(jié)論

本文對(duì)起豎裝置下夾鉗三角臂及基座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化處理，為了驗(yàn)證相關(guān)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件對(duì)起豎架下夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，根據(jù)應(yīng)力云圖提出調(diào)整眼板、基座及連接區(qū)域結(jié)構(gòu)，高應(yīng)力區(qū)改用高等級(jí)材料，低應(yīng)力區(qū)提高材料理應(yīng)率等優(yōu)化方式，解決下夾鉗強(qiáng)度不滿足要求的問題，為下夾鉗三角板及基座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了充分的理論數(shù)據(jù)。