整流罩快速對接設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)特性分析

張?jiān)? 范華平 蔣小寒 李奚晗

摘 要：基于整流罩對接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，針對需要縮短對接時(shí)間的要求，設(shè)計(jì)了一種鎖緊鉤爪形式的整流罩對接結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有整流罩的螺栓連接結(jié)構(gòu)相比，該整流罩的連接結(jié)構(gòu)可以通過齒輪齒條帶動鎖緊鉤爪進(jìn)行連接，有效地提高了整流罩對接速度。以新型整流罩對接結(jié)構(gòu)為研究對象，建立該連接結(jié)構(gòu)的三維模型，應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件，對單個(gè)整流罩連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析。研究結(jié)果表明：該快速連接結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有整流罩的螺栓連接結(jié)構(gòu)相比，不僅能夠滿足導(dǎo)彈在發(fā)射過程中振動環(huán)境的要求，而且有效減少了74%的對接時(shí)間。

關(guān)鍵詞：整流罩;快速對接;結(jié)構(gòu)特性;模態(tài)分析;隨機(jī)振動

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.009

中圖分類號： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0053-06

Abstract：Based on the characteristics of fairing structure docking， in order to shorten the time required for docking， a locking claw form fairing butt joint structure has been designed. Compared with the existing fairing bolt connection， the new connection structure of the fairing can drive the connecting locking hook through the gear rack， effectively improve the fairing docking speed. Threedimensional model of the connection structure has been established based on the new fairing connection structure， applying ANSYS Workbench finite element analysis software， the single fairing connection structure analysis of structural characteristics. The results show that： compared with structure with existing fairing connection， the new fast connection can not only meet the environmental vibration during payload launching and docking speed requirements， but also reduce the docking time by 74%.

Keywords：fairing; fast docking; structural characteristics; modal analysis; random vibration

收稿日期： 2016-11-27

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（51375125）.

作者簡介：

范華平（1991—），男，碩士研究生;

蔣小寒（1994—），女，碩士研究生.

通信作者：

張 元（1966—），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：zhangyuan1966@163.com.

0 引 言

整流罩是用于保護(hù)其內(nèi)部有效載荷，防止有效載荷在通過大氣層時(shí)受氣動力、氣動熱及聲振等有害環(huán)境的影響，是整個(gè)裝置的重要組成部件[1]。在技術(shù)準(zhǔn)備和日常維護(hù)使用過程中，整流罩需要經(jīng)過多次拆裝，其作業(yè)時(shí)長是有效載荷維修的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]。

目前整流罩的對接是采用螺栓進(jìn)行徑向連接的方法，螺栓數(shù)量較多，拆裝時(shí)間長，工作量大，很大程度上限制了對接的快速性。隨著武器裝備技術(shù)的發(fā)展，我國在縮短有效載荷維護(hù)時(shí)間上取得了一定的進(jìn)展[3]。 本文參考了現(xiàn)有的整流罩對接結(jié)構(gòu)，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種鎖緊鉤爪形式的整流罩快速對接結(jié)構(gòu)。

整流罩對接是將整流罩和分導(dǎo)艙的連接框加工成圓柱形的內(nèi)、外表面，連接位置的螺栓孔設(shè)計(jì)有內(nèi)螺紋，通過大型吊裝設(shè)備進(jìn)行軸向?qū)?，然后調(diào)整周向位置對準(zhǔn)螺栓孔，最后擰緊多個(gè)徑向螺栓進(jìn)行連接固定[4-5]，如圖1、2所示。徑向螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式相對簡單，承載能力強(qiáng)，相對容易進(jìn)行裝配加工[6]。除此之外，還有多種連接方式，由于多種原因，很少應(yīng)用于整流罩對接連接上[7]?，F(xiàn)有整流罩對接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 工作原理

新型整流罩對接方案采用鎖緊鉤爪形式的連接結(jié)構(gòu)。在整流罩內(nèi)圈安裝有支撐結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有凸輪槽的圓環(huán)。圓環(huán)上部安裝有齒輪齒條，下部有凸輪槽環(huán)。將整流罩對心插入分導(dǎo)艙后，擰動齒輪，通過齒條的傳遞帶動圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鎖緊鉤爪落入圓環(huán)凸輪槽的最低位置時(shí)，在扭力彈簧的作用下可實(shí)現(xiàn)鎖緊鉤爪與承載溝槽的分離，繼續(xù)轉(zhuǎn)動齒輪時(shí)，鎖緊鉤爪到達(dá)凸輪槽的最高位置，無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時(shí)完成鎖緊對接。這樣可以通過轉(zhuǎn)動一個(gè)齒輪來帶動所有鉤爪的鎖緊與張開，從而達(dá)到快速對接的目的。同時(shí)，在與整流罩對接的分導(dǎo)艙上增加一個(gè)承載溝槽，用以實(shí)現(xiàn)與鎖緊鉤爪的對接配合，如圖3、4所示。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

新型整流罩快速對接結(jié)構(gòu)，通過齒輪的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)整流罩上的鎖緊鉤爪與分導(dǎo)艙的快速對接，與現(xiàn)有的徑向螺栓連接相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在復(fù)雜性方面，整流罩對心插入分導(dǎo)艙可直接鎖緊，無需徑向定心，降低了對接時(shí)所要求的的定位精度;

2）在可靠性方面，鎖緊鉤爪采用傾斜方式進(jìn)行鎖緊，在軸向鎖緊的同時(shí)產(chǎn)生徑向分力，連接穩(wěn)定、可靠;

3）在時(shí)間方面，由于鎖緊鉤爪的接觸面大，能夠承受更多的軸向力，因此鎖緊鉤爪的數(shù)量相對較少?，F(xiàn)有整流罩連接結(jié)構(gòu)需要擰緊多個(gè)螺栓，而鎖緊鉤爪形式的連接結(jié)構(gòu)只需要擰動一個(gè)齒輪便可實(shí)現(xiàn)所有鉤爪同時(shí)完成對接工作，極大地提高了整流罩的對接速度。

2 快速性檢驗(yàn)

整流罩的軸向?qū)?zhǔn)一般采用大型吊裝設(shè)備完成，時(shí)間比較固定，且新型整流罩快速連接機(jī)構(gòu)采用了36個(gè)鎖緊鉤爪，無需徑向定心。本文的新型對接結(jié)構(gòu)由一個(gè)齒輪同時(shí)帶動所有鉤爪完成對接，考慮到齒輪傳動效率問題，將其按照擰緊一個(gè)螺栓用時(shí)的三倍時(shí)間進(jìn)行粗略估算。因此，新型結(jié)構(gòu)所需要的時(shí)間分別為

通過與現(xiàn)有整流罩連接結(jié)構(gòu)對比分析，新型連接機(jī)構(gòu)的時(shí)間效率η為

綜上所述，新型整流罩快速連接機(jī)構(gòu)大大提高了整流罩連接的速率，減少了地面操作人員的工作量，為導(dǎo)彈的快速維護(hù)和裝配提供了技術(shù)支持。

3 結(jié)構(gòu)特性分析

由于有效載荷在工作過程中會受發(fā)動機(jī)工作和外部氣流波動的影響，會使整流罩產(chǎn)生隨機(jī)振動，這直接關(guān)系到整個(gè)對接結(jié)構(gòu)的可靠性與使用壽命。因此，針對整流罩對接結(jié)構(gòu)的振動特點(diǎn)，采用ANSYS動力學(xué)分析理論，對連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析和諧響應(yīng)分析，為整流罩對接結(jié)構(gòu)的振動分析提供一種理論分析方法。

3.1 有限元振動分析原理

根據(jù)振動分析理論，一個(gè)多自由度系統(tǒng)的二階振動微分方程表達(dá)式為

該方程的解為：

3.2 模型的處理

根據(jù)新型整流罩快速連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文選取了單個(gè)整流罩連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。將Creo3.0建立的整流罩快速連接結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 15.0中，對接結(jié)構(gòu)的材料均采用結(jié)構(gòu)鋼，通過劃分網(wǎng)格等得到相關(guān)參數(shù)，材料參數(shù)如表1所示。

利用ANSYS Workbench 15.0軟件，采用四面體線性單元類型，對新型整流罩快速連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，生成10047個(gè)節(jié)點(diǎn)和5227個(gè)單元。因扭簧的尺寸和受力較小，對整流罩快速連接結(jié)構(gòu)的影響較小，但很大程度上影響網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，故本文對其做忽略處理。單個(gè)整流罩快速連接結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖5所示。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是最基本的動力學(xué)分析，是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動特性的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振型[11-17]。本文對單個(gè)整流罩的對接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了前4階模態(tài)分析，獲得其固有頻率和振型圖，從而有效地避免整流罩對接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，前四階變形云圖如圖6所示。

由圖6可見，在前4階模態(tài)分析中，單個(gè)整流罩快速對接結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著階數(shù)的增加而不斷增大，前兩階的固有頻率相差較小，后兩階相差較大。因此，在整流罩快速連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免在2100～2400Hz范圍內(nèi)工作，以排除共振產(chǎn)生的可能性。前4階的固有頻率如表2所示。

3.4 隨機(jī)振動分析

有效載荷每次工作都會在不同的時(shí)間產(chǎn)生振動載荷，這種載荷在多情種況下具有不確定性。因此，本文根據(jù)整流罩對接結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動環(huán)境，利用ANSYS Workbench 15.0軟件對單個(gè)對接結(jié)構(gòu)進(jìn)行 3個(gè)方向的隨機(jī)振動分析，得到其不同方向的位移云圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出在X、Y、Z 3個(gè)不同方向進(jìn)行隨機(jī)振動分析時(shí)，X方向產(chǎn)生的應(yīng)變最大，應(yīng)變值為2.2×10-7mm，符合對接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，保證了整流罩快速連接結(jié)構(gòu)的可靠性。不同方向的隨機(jī)振動分析結(jié)果如表3所示。

3.5 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是分析結(jié)構(gòu)在不同頻率作用下的響應(yīng)，可有效避免整流罩對接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。根據(jù)模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析的結(jié)果，本文在鎖緊鉤爪3個(gè)不同方向施加簡諧力，選定頻率范圍為0～3500Hz，步長為40Hz。? 3個(gè)方向的頻率-振幅變化曲線如圖8所示。

4 結(jié) 論

針對整流罩快速對接的需求，本文根據(jù)整流罩連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種鎖緊鉤爪形式的新型整流罩對接結(jié)構(gòu)，可以有效地縮短整流罩對接時(shí)間。利用有限元分析的方法，對單個(gè)整流罩對接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析和諧響應(yīng)分析的仿真研究，從分析結(jié)果中可以看出：在2100-2700Hz頻率范圍時(shí)，整流罩連接結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生共振，振幅較大，不能夠滿足振動結(jié)構(gòu)在工作過程中振動環(huán)境的要求，應(yīng)盡量避免其在該范圍內(nèi)工作。本文為整流罩快速對接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ).

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（編輯：溫澤宇）