基于FTA的發(fā)射平臺(tái)擺桿桁架結(jié)構(gòu)分析

任曉偉，趙勁彪， 潘玉竹， 黎定仕， 馮 超，王明華

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

隨著國內(nèi)新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展，新一代發(fā)射平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。擺桿作為發(fā)射平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于鋪設(shè)各種加注、供氣、電纜、空調(diào)等管線路，在運(yùn)輸過程中擺桿保持各種管路、連接器、電纜的狀態(tài)不變，起飛前帶動(dòng)脫落的連接器、管路、接頭等擺開到安全范圍之內(nèi)[1]。關(guān)于擺桿設(shè)備，工程設(shè)計(jì)人員開展了一系列研究工作，王婷等[2]針對(duì)火箭擺桿使用時(shí)的工作狀態(tài)，分析模擬擺桿加載試驗(yàn)的難點(diǎn)，提出載荷的鋪設(shè)、安裝和試驗(yàn)改進(jìn)方案，并設(shè)計(jì)出工藝裝備。趙海等[3]對(duì)擺桿機(jī)構(gòu)風(fēng)載模擬試驗(yàn)進(jìn)行初步研究，提出一種模擬擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)際風(fēng)載的試驗(yàn)方法。丁保民等[4]描述了一種高可靠擺桿遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的組成、擺桿控制方法、遠(yuǎn)程冗余控制原理，以及擺桿控制通路的實(shí)現(xiàn)方式。

但是目前鮮有學(xué)者對(duì)擺桿桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，本文結(jié)合工程實(shí)例，建立擺桿桁架失效FTA，梳理其發(fā)生失效底事件，并利用有限元計(jì)算手段，逐一分析擺桿桁架失效底事件影響，為擺桿桁架設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒。

1 FTA分析方法

故障樹分析(FTA)是一種演繹性的失效分析方法，廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)安全性評(píng)估工程領(lǐng)域，以揭示系統(tǒng)失效的原因[5]?？梢园l(fā)現(xiàn)潛在的故障，揭露設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)[6]。

故障樹分析步驟主要有[7]：首先廣泛收集并分析有關(guān)技術(shù)資料；然后選擇頂事件，頂事件是故障樹分析中所關(guān)心的結(jié)果事件；建樹及其簡化；進(jìn)行底事件的計(jì)算。

2 工程實(shí)例

某型擺桿如圖1所示，主要由擺桿桁架、擺桿主軸、驅(qū)動(dòng)組以及拉索組成。

擺桿桁架為擺桿最主要的部件之一，為便于公路運(yùn)輸，擺桿分為前、后段桁架并由連接叉扣組連接，其中連接叉扣組包括：連接叉扣(雙耳)、連接叉扣(單耳)、銷軸，擺桿上布置吊耳，配套拉索安裝，如圖2～圖4；一般要求其結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于2且變形量不大于250 mm；在火箭發(fā)射過程中擺桿桁架所承受載荷有：擺桿桁架自重、擺桿上鋪設(shè)加注管路載荷、連接器設(shè)備載荷、風(fēng)載以及火箭燃?xì)饬鬏d荷等。在任務(wù)過程中，擺桿桁架應(yīng)保證自身強(qiáng)度不失效且變形量不能過大，避免與其他系統(tǒng)碰撞。因此，擺桿桁架失效形式主要有：擺桿桁架強(qiáng)度失效、擺桿桁架變形量過大。采用FTA方法，對(duì)某型擺桿桁架失效原因進(jìn)行分析，梳理底事件。

圖1 發(fā)射平臺(tái)擺桿

圖2 擺桿桁架

圖3 吊耳

圖4 連接叉扣組

3 擺桿桁架FTA分析

根據(jù)擺桿桁架功能、性能分析，擺桿桁架強(qiáng)度失效故障樹如圖5所示，可知底事件有6項(xiàng)，分別為：前、后桁架強(qiáng)度失效；連接叉扣強(qiáng)度失效；吊耳強(qiáng)度失效；前、后桁架壓桿失穩(wěn)失效；桁架變形量過大，拉索強(qiáng)度失效。

圖5 擺桿桁架失效故障樹

4 擺桿故障樹底事件計(jì)算分析

結(jié)合某型擺桿，對(duì)5項(xiàng)故障樹底事件進(jìn)行逐一分析，利用Abaqus建立有限元模型，桁架、主軸采用梁單元建模，拉索采用單向彈簧單元(僅受拉載荷)建模，如圖6所示。施加載荷，包括：連接器設(shè)備集中載荷，燃?xì)饬鬏d荷，風(fēng)載荷，加注管路載荷。其中，需考慮加注管路迎風(fēng)面積，折合到桁架受載載荷。加注管路與擺桿桁架布置圖如圖7所示。

圖6 擺桿有限元模型

圖7 加注管路鋪設(shè)圖

4.1 前、后段桁架強(qiáng)度失效X1

前、后段桁架有限元計(jì)算結(jié)果，如圖8所示。桁架最大應(yīng)力S1為133 MPa，桁架材料屈服強(qiáng)度[σs]為：345 MPa，安全系數(shù)為：[σs]/S1=2.6，滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

圖8 桁架應(yīng)力云圖

4.2 連接叉扣強(qiáng)度失效X2

連接叉扣分為連接叉扣(單耳)、連接叉扣(雙耳)，從桁架計(jì)算中提取4處連接叉扣處軸向載荷，作為連接叉扣計(jì)算載荷輸入。如圖9所示，軸向最大拉載荷為：74240 N；軸向最大壓載荷為：131900 N。

圖9 連接叉扣區(qū)域桁架軸力

4.2.1 連接叉扣(單耳)

利用Ansys Workbench中Bearing Load方法，在軸孔處沿軸向施加余弦載荷，經(jīng)有限元分析計(jì)算，連接叉扣(單耳)如圖10所示。最大拉應(yīng)力值S2為：142.2 MPa，材料屈服強(qiáng)度[σs]為：345 MPa，安全系數(shù)為：[σs]/S2=2.4；最大壓應(yīng)力值S3為：157.3 MPa，安全系數(shù)為：[σs]/S3=2.2。滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

圖10 連接叉扣(單耳)應(yīng)力云圖

4.2.2 連接叉扣(雙耳)

連接叉扣(雙耳)應(yīng)力云圖如圖11所示。最大拉應(yīng)力值S4為：127.2 MPa，材料屈服強(qiáng)度[σs]為：345 MPa，安全系數(shù)為：[σs]/S4=2.7；最大壓應(yīng)力值S5為：64.3 MPa，安全系數(shù)為：[σs]/S5=5.4。滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

圖11 連接叉扣(雙耳)應(yīng)力云圖

4.2.3 銷軸

參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊2卷》[8]，銷軸的剪切應(yīng)力公式為：

τ=F/2/(πd2/4)

(1)

其中，F(xiàn)為軸向作用力，d為銷軸直徑(Φ40 mm)。

塑性材料剪切應(yīng)力許用值 [τ]公式為：

[τ]=(0.5～0.7)[σs]

(2)

擺桿桁架銷軸材料 [σs]為：835 MPa，式(2)系數(shù)取0.5，則[τ]為：417.5 MPa。

受拉工況計(jì)算：F1為軸向受拉力，F(xiàn)1為7.027×104N；數(shù)據(jù)代入式(1)：τ1=28 MPa。安全系數(shù)為：[τ]/τ1=12.32，滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

受壓工況計(jì)算：F2為軸向受壓力，F(xiàn)2為1.319×105N 。數(shù)據(jù)代入式(1)：τ2=52.5 MPa。安全系數(shù)為：[τ]/τ2=7.95；滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

4.3 吊耳強(qiáng)度失效X3

從桁架計(jì)算中提取拉索拉力為：103400 N。建立吊耳、連接軸有限元模型，采用吊耳、連接軸接觸算法，如圖12所示。

圖12 有限元模型圖

有限元計(jì)算結(jié)果如圖13所示。最大應(yīng)力S6為：120.4 MPa，材料[σs]為345 MPa，安全系數(shù)：[σs]/S6=2.87，滿足安全系數(shù)大于2倍的使用要求。

圖13 應(yīng)力云圖

4.4 前、后桁架壓桿失穩(wěn)失效X4

利用Abaqus軟件中提供的Lanczos法[9]，計(jì)算桁架屈曲失穩(wěn)。取前4階，如圖14所示。前4階特征值如表1所示，絕對(duì)值均大于1，不存在失穩(wěn)可能，滿足使用要求。

圖14 前4階模態(tài)圖

表1 前4階特征值

4.5 桁架變形量過大X5

桁架變形量有限元計(jì)算結(jié)果，包括綜合變形(U)，X方向(U1)，Y方向(U2)，Z方向(U3)，如圖15所示。各方向最大變形量如表2所示，均小于250 mm，滿足使用要求。

圖15 擺桿桁架變形量

表2 擺桿桁架變形量

4.6 拉索強(qiáng)度失效X6

有限元提取擺桿2根拉索拉力值，如圖16所示。拉索拉力值分別為：59.2 kN、73.7 kN，遠(yuǎn)小于拉索破斷力663 kN，滿足使用要求。

圖16 擺桿拉索拉力值

5 結(jié)論

本文采用FTA方法，對(duì)某型發(fā)射平臺(tái)擺桿桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)桁架失效的原因進(jìn)行了匯總、歸納，并結(jié)合有限元軟件和理論計(jì)算對(duì)底事件進(jìn)行分析。針對(duì)擺桿桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下建議：

1)適當(dāng)增加擺桿桁架橫截矩形面積，可增大抗彎截面模量，提高擺桿抗彎能力。

2)擺桿桁架有限元計(jì)算中，如需宏觀檢查整體剛、強(qiáng)度，可采用梁單元建模，減少計(jì)算量；如需局部檢查連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(例如連接銷軸、拉索吊耳等)，可采用實(shí)體建模。

3)擺桿桁架腹桁桿方向布置：腹桁桿承壓性能優(yōu)于承拉。如按本文中擺桿腹桁桿布置形式，腹桁桿受壓，需考核壓桿穩(wěn)定性，也可將腹桁桿布置成受拉，避免壓桿失穩(wěn)，但腹桁桿承拉性能差。

4)擺桿桁架由于是長桁架結(jié)構(gòu)，變形量較大，可增加拉索等措施，提高整體剛度，避免因變形量過大影響使用。