仿真技術(shù)在深彈發(fā)射裝置環(huán)境適應性分析中的應用

呂學能，祝凌云，徐巨華

(杭州航海儀器有限公司，浙江杭州310024)

0 前言

裝備的環(huán)境適應性關(guān)系到裝備的作戰(zhàn)效能、使用可靠性和持續(xù)作戰(zhàn)能力，是裝備的重要技術(shù)指標。深彈發(fā)射裝置(以下簡稱發(fā)射裝置)通常安裝在甲板部位，海洋環(huán)境下的高、低溫，濕熱，淋雨會影響發(fā)射裝置的機械強度、電氣性能，加速設(shè)備老化；武器發(fā)射的沖擊和艦船高海況搖擺引起的靜應力、動態(tài)力都有可能引起發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)破壞。因此，發(fā)射裝置研制過程中需要完成一系列的強度試驗、環(huán)境試驗的考核。與物理試驗相比，仿真技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，在研制初期就采用仿真技術(shù)進行設(shè)計分析，可有效縮短研制周期，優(yōu)化設(shè)計，避免研制過程的反復。

1 裝備的環(huán)境適應性評價

環(huán)境適應性是指裝備、分系統(tǒng)或部件在預期環(huán)境中實現(xiàn)其全套預定功能的能力[1]。根據(jù)艦船環(huán)境條件要求，機械環(huán)境影響主要有：振動、沖擊、空中核爆炸沖擊波、傾斜與搖擺[2]。就發(fā)射裝置而言，機械環(huán)境主要影響裝備的結(jié)構(gòu)強度，對這些影響因素的考核包括試驗考核和仿真分析。

隨著計算機軟、硬件和相關(guān)學科的發(fā)展，對裝備的結(jié)構(gòu)強度計算已不再局限于數(shù)值計算，而發(fā)展成計算機仿真[3]，通過仿真技術(shù)可提前發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，了解未知風險，提高工作效率。作為傳統(tǒng)試驗方法的補充，國外早已將仿真技術(shù)廣泛應用在武器裝備環(huán)境適應性試驗與評估中[4-5]。例如仿真設(shè)計技術(shù)已經(jīng)作為美國國防部的指導性要求，廣泛應用于裝備的研制過程中，包括全數(shù)字化仿真、半數(shù)字化仿真、模擬試驗仿真已經(jīng)成為不同研制階段中評價裝備環(huán)境適應性、預測服役壽命時必須進行的輔助設(shè)計手段[6]。根據(jù)軍用設(shè)備實驗室環(huán)境試驗方法及相關(guān)要求，發(fā)射裝置一般要參加高溫試驗、低溫試驗、噴淋試驗、霉菌試驗、鹽霧試驗、振動試驗、沖擊試驗等環(huán)境試驗，這類試驗都是在樣機試制完成后進行的，難以在研制初期發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的不足。尤其是沖擊試驗，短時間內(nèi)在裝備上作用高量級輸入力脈沖，對裝備損壞較大，一旦試驗出現(xiàn)問題將嚴重影響研制進度。以下就以沖擊響應為例介紹其仿真技術(shù)在發(fā)射裝置環(huán)境適應性分析中的應用。

2 發(fā)射裝置接線箱沖擊模型

2.1 接線箱3D模型

仿真分析工作首先應該根據(jù)分析需求定義產(chǎn)品的數(shù)字樣機[7]，發(fā)射裝置左、右兩側(cè)都裝有接線箱，根據(jù)安裝位置所承受沖擊力學分析，建立受力模型如圖1所示。與其他部件相比，接線箱屬于電氣設(shè)備，受沖擊影響較大。初始設(shè)計為減小箱體重量，材料采用鋁合金，箱體壁厚為3 mm。接線箱采用SolidWorks建模，要知道接線箱受沖擊時的峰值響應，可使用Simulation下的響應波譜分析。

2.2 沖擊機理

沖擊是一種很復雜的物理運動，與隨機振動一樣，它具有連續(xù)的頻譜，但又是一個瞬變過程，不具備穩(wěn)態(tài)隨機的條件。受沖擊后，裝備機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)要發(fā)生突變并將產(chǎn)生瞬間沖擊響應，響應具有以下特征：高頻振蕩、短持續(xù)時間、明顯的初始上升時間和高量級的正負峰值。裝備受沖擊(瞬態(tài)激勵)后所產(chǎn)生的沖擊響應的大小代表了產(chǎn)品實際所受到的沖擊強度。若產(chǎn)品的瞬時響應幅值超過產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)強度，則將導致產(chǎn)品破損[8]。

2.3 響應波譜分析

響應波譜分析又名沖擊譜分析，是一種近似的方法用于預測受到基礎(chǔ)激勵(強迫振動)的結(jié)構(gòu)峰值響應的分析方法。取代耗時的時間域瞬態(tài)分析，可以采用響應譜分析快速地近似分析結(jié)構(gòu)的峰值響應(如動應力等)。響應譜分析可以作為一種設(shè)計工具。它用于計算結(jié)構(gòu)對多頻信息瞬態(tài)激勵的響應，這些激勵可能來源于地震、飛行噪聲/飛行過程、導彈發(fā)射等，頻譜是載荷時間歷程在頻率域上的表示法，可以使用響應波譜分析而非時間歷史分析，來估測結(jié)構(gòu)對隨機載荷或與時間有關(guān)的載荷環(huán)境(例如地震、風載荷、海浪載荷、噴氣發(fā)動機推力或火箭發(fā)動機振動)的響應。

響應波譜是自然頻率ωi或振動周期Ti的函數(shù)，它標繪了特定基準運動的單一自由率系統(tǒng)(SDOF)對不同自然頻率振動器的峰值響應。每個響應波譜曲線相當于特定的模態(tài)阻尼比率ξi。相應波譜中標繪的典型值為

最大位移Sd(ωi，ξi)；

最大虛擬速度Sv(ωi，ξi)＝ωiSd；

特定阻尼比率ξi的相對位移響應波譜及響應曲線如圖2所示。

SDn＝max｜yn(t)｜(n＝1，…，4)，即SDn等于每個SDOF振蕩器的相對位移時間歷史響應的最大絕對值。

分析過程中先計算正態(tài)模型，供分離運動方程式與廣義模態(tài)坐標使用。最大模態(tài)響應從基準激發(fā)響應波譜中確定，將Sd(ωi，ξi)、Sv(ωi，ξi)、Sa(ωi，ξi)分別設(shè)定為位移、虛擬速度、虛擬加速度的輸入響應波譜值。當每個模態(tài)可設(shè)定為SDOF系統(tǒng)時，就可以從輸入相應波譜值中獲取有關(guān)模態(tài)坐標的激發(fā)持續(xù)時間的最大響應：

式中：xi，max是模態(tài)相對位移；是模態(tài)相對速度；是模態(tài)絕對加速度；Γi是每個模態(tài)i的模態(tài)參與因子，是本征向量i的移項；{Ib}是將基體運動與剛性體結(jié)構(gòu)位移相關(guān)的感應向量。對于每種模態(tài)，結(jié)構(gòu)相對于模態(tài)坐標的最大響應是

3 仿真分析與設(shè)計優(yōu)化

對接線箱模型定義線性動力-響應波譜分析算例，分析共運行65個頻率數(shù)，X、Y、Z3個方向的質(zhì)量參與總和值均在0.8以上，如圖3所示。在Z方向加載某典型沖擊大小為1 g，如圖4所示為頻率曲線。

運行后應力分布如圖5所示。最大應力分布在接線柱的支撐立柱邊緣，局部存在應力集中，最大值約614 MPa，已超過一般鋁合金的屈服強度。

通過仿真及時發(fā)現(xiàn)了接線箱工藝細節(jié)處理不到位導致結(jié)構(gòu)強度設(shè)計不足，對應力集中處進行R5 mm圓弧過渡，如圖6所示，重新進行分析，得到圖7所示應力分布，最大應力降到約484 MPa。后期還能結(jié)合使用特點對發(fā)射箱進行結(jié)構(gòu)上的更改，使其設(shè)計趨于優(yōu)化。

由此可見，仿真分析對于發(fā)現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)是非常有效的。仿真技術(shù)可以模擬裝備在使用過程中可能遇到的各種環(huán)境，突破了環(huán)境試驗受限于試驗樣機和特定環(huán)境條件的限制，并且可以在較短的時間內(nèi)得到仿真結(jié)果，對裝備模型進行及時修正。

4 結(jié)束語

仿真技術(shù)的應用是對裝備環(huán)境適應性傳統(tǒng)研究方法的一種補充，它可以利用先進的計算機技術(shù)對結(jié)構(gòu)模型進行分析，根據(jù)要求的環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特點建立數(shù)學模型，然后進行仿真分析，從而提前得知裝備的環(huán)境失效模式，進行優(yōu)化改進。目前，該發(fā)射裝置研制還處于樣機階段，仿真技術(shù)在發(fā)射裝置環(huán)境適應性分析中的應用還不夠深入，仿真結(jié)果還需要通過沖擊試驗進行驗證，隨著試驗數(shù)據(jù)的采集和積累以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)發(fā)揮的作用將會越來越顯著。