火箭發(fā)射架結(jié)構(gòu)強度與模態(tài)仿真分析

張樂，許宏濤

（中國航天科技集團有限公司第四研究院第四十一研究所，陜西 西安 710025）

中國未來將進行深空探測，探測太陽系、火星、小行星等，探尋地外生命信息，其中火星是中國計劃探測的第一顆行星。針對火星的探測任務(wù)，主要包括對火箭大氣環(huán)境探測、火星的地形、地貌特征探測，火星表面物質(zhì)和地質(zhì)特征探測。

火星探測工程需要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的成熟度與可靠性關(guān)系到整個項目的成敗，因此我國計劃采用對此類關(guān)鍵技術(shù)在地球臨近空間進行試驗驗證。探空火箭是在近地空間進行科學(xué)試驗的火箭，其研制周期短，滿足火星探測計劃的任務(wù)窗口，發(fā)射較為方便，經(jīng)濟性也較好，成為了此類驗證試驗的首選。探空火箭通常由一些可移動式發(fā)射架進行發(fā)射，航天四院為火星探測任驗證試驗研制的發(fā)射架周期極短，研制壓力較大。為減少樣機制作成本，縮短產(chǎn)品實驗周期，加快新品研發(fā)進程，本文對其發(fā)射架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)分析，以驗證其各項結(jié)構(gòu)性能是否滿足任務(wù)要求。通過分析，本發(fā)射架的結(jié)構(gòu)強度和頻率滿足要求。

1 發(fā)射架組成和工作原理

運載器發(fā)射系統(tǒng)分為機械裝置、控制組件（包含控制設(shè)備和定位定向設(shè)備）。發(fā)射系統(tǒng)主要由導(dǎo)軌、過渡架、起豎臂、擋箭裝置、起豎裝置、回轉(zhuǎn)支撐、回轉(zhuǎn)驅(qū)動、機械裝置基座、調(diào)平系統(tǒng)、伺服驅(qū)動柜、伺服控制箱、導(dǎo)流裝置、插拔機構(gòu)等組成，發(fā)射系統(tǒng)組成圖如圖1所示。它能夠自主定位定向，電動伺服起豎回轉(zhuǎn)，并執(zhí)行規(guī)定瞄準(zhǔn)角度下的發(fā)射任務(wù)；同時可以通過將發(fā)射系統(tǒng)基座去掉，安裝在車輛底盤上，附加以供電設(shè)備實現(xiàn)車載運輸發(fā)射。

圖1 發(fā)射架組成圖

2 模型前處理

2.1 有限元模型

將發(fā)射架結(jié)構(gòu)幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，對模型進行前處理，去除不必要驅(qū)動柜、工具箱等結(jié)構(gòu)件，簡化絲杠等結(jié)構(gòu)件。隨后對結(jié)構(gòu)件賦予材料特性，其中支耳、過渡架、起豎臂、回轉(zhuǎn)支撐、和基座等為Q345鋼材，導(dǎo)軌為45#鋼材。材料參數(shù)統(tǒng)一為彈性模量為206GPa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3。對結(jié)構(gòu)件采用二階四面體實體單元進行網(wǎng)格劃分，關(guān)鍵部位進行加密處理，網(wǎng)格寬高比大部分區(qū)域為5，支耳，旋轉(zhuǎn)支撐等寬高比約為2，在權(quán)衡計算效率與精度利弊后選擇采用此網(wǎng)格設(shè)置既可以達到收斂又能較快完成計算，最終網(wǎng)格數(shù)為552481個，節(jié)點數(shù)為1044136個，具體如圖2所述。

圖2 發(fā)射架網(wǎng)格圖

2.2 載荷、約束與接觸

發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件主要受到火箭的重力和裝置自身的重力載荷，火箭重力添加通過定義好的坐標(biāo)系（火箭質(zhì)心位置）位置，使用“遠(yuǎn)程載荷”添加到導(dǎo)軌4個缺口處（火箭4個滑塊處），結(jié)構(gòu)件自身重力通過重力載荷添加。

在軟件中設(shè)置裝置4個調(diào)平裝置在垂直于底面方向位移為零，設(shè)置4個支腿垂直于底面方向位移為零，為了消除裝置的剛體位移（有限元分析中必須消除剛體位移）在裝置設(shè)置支腿的一個尖點固定約束，依據(jù)圣維南原理，該固定約束對仿真結(jié)果影響可忽略。

機械裝置結(jié)構(gòu)件使用焊接方式將板材和管材焊接在一起，該分析不考慮焊接強度問題，因此焊接接觸在分析中全部設(shè)置結(jié)合，因此零件之間的接觸忽略。銷軸連接定義為銷釘接頭連接；采用無平移，旋轉(zhuǎn)銷釘接頭。

2.3 計算工況

該型探空火箭發(fā)射時，發(fā)射裝置俯仰角為80°，方位角為0°，火箭重力一部分加載到擋箭板部件，一部分垂直于軌道缺口處，本文對此種工況下的結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)進行仿真分析。

3 結(jié)構(gòu)強度分析

對上述有限元模型進行計算，所得發(fā)射裝置應(yīng)力云圖見圖3，最大應(yīng)力值約150MPa，位于擋箭板與導(dǎo)軌連接處，位移云圖如圖4所示，擋箭板處的變形約2.5mm，導(dǎo)軌頂端是變形累加的結(jié)果，約為10mm。通過分析可知，發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件安全裕度較大，變形也滿足總體指標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

圖3 發(fā)射架應(yīng)力云圖

圖4 發(fā)射架位移云圖

4 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

對上述有限元模型進行模態(tài)分析，分析的終止條件為前4階模態(tài)或線性動力無規(guī)則振動掃描2000HZ的振動頻率。前4階模態(tài)的計算結(jié)果圖見圖5。

圖5 前4階模態(tài)計算結(jié)果（從左至右分別為1至4階模態(tài)）

從圖中可以看到，前4階頻率分別為5.76Hz，6.05Hz，19.45Hz和20.78Hz，1階模態(tài)主要是橫向擺動，2階模態(tài)主要是俯仰方位擺動，3階模態(tài)為橫向彎曲，4階模態(tài)為俯仰方向彎曲。發(fā)射架模態(tài)與火箭的激勵差別較大，不會產(chǎn)生共振。

5 結(jié)語

本文采用有限元仿真分析對某型探空火箭發(fā)射架進行結(jié)構(gòu)強度和模態(tài)分析，分析結(jié)果表明該重構(gòu)強度和剛度滿足要求，固有頻率與火箭激勵有一定差別，結(jié)構(gòu)滿足火箭發(fā)射要求。