某機(jī)載投放器模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

程林風(fēng)

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

機(jī)載投放器是各型戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)使用的重要武器裝備，其主要通過發(fā)射箔條或紅外干擾彈對敵方來襲導(dǎo)彈進(jìn)行誘騙干擾，從而保護(hù)戰(zhàn)機(jī)和飛行員[1]。某機(jī)載投放器裝備于某型直升機(jī)，根據(jù)飛機(jī)的環(huán)境使用要求，該投放器需滿足在直升機(jī)各類機(jī)動條件下可靠工作。因該機(jī)載投放器在工作時將隨飛機(jī)的機(jī)動受到過載，為保證設(shè)備正常可靠工作，要求投放器與直升機(jī)機(jī)體的連接可靠，同時要求投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)連接可靠。因此，本文對該機(jī)載投放器進(jìn)行模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

1 投放器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論計算

根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)要求及GJB150.15A-2009加速度試驗的要求[2]，機(jī)載投放器的加速度試驗量值如表1所示。表1中,g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

表1 機(jī)載投放器加速度試驗量值

根據(jù)設(shè)計要求，某直升機(jī)在機(jī)動飛行過程中，投放器隨載機(jī)的機(jī)動受到過載，以載機(jī)最大機(jī)動加速度進(jìn)行理論計算[3]。本文分別對最大過載情況下投放器與載機(jī)的連接強(qiáng)度、投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)的連接強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度計算。

1.1 投放器與載機(jī)連接強(qiáng)度計算

根據(jù)直升機(jī)機(jī)動時的最大加速度試驗量值，當(dāng)投放器處于滿載情況下時受到過載載荷最大。為確保計算結(jié)果更真實(shí)地指導(dǎo)投放器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，投放器取1.25倍的重量裕度[4]，因此，可由下式計算投放器滿載情況下的質(zhì)量m(kg)：

m=(mz+mg)×1.25.

(1)

其中：mz為投放器空載時質(zhì)量，mz=3.8 kg；mg為滿載時干擾彈質(zhì)量，mg=5.6 kg。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計算得：m=11.8 kg。

根據(jù)投放器在載機(jī)機(jī)體內(nèi)的安裝方向，以及最大過載時直升機(jī)的機(jī)動方向可知，投放器的最大垂向加速度為10.5g，最大橫向加速度為6.0g。當(dāng)載機(jī)做垂直機(jī)動時，投放器與載機(jī)連接的緊固螺釘受到剪力，當(dāng)載機(jī)做橫向和縱向機(jī)動時，緊固螺釘受到拉力。對緊固螺釘?shù)淖畲蠹魬?yīng)力、最大拉應(yīng)力分別進(jìn)行計算。

1.1.1 緊固螺釘?shù)淖畲蠹魬?yīng)力

當(dāng)載機(jī)做垂直機(jī)動時，投放器與載機(jī)機(jī)體的緊固螺釘受到的最大剪力Fc(N)為：

Fc=m·acmax.

(2)

其中:acmax為最大垂向加速度,acmax=10.5g。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計算得：Fc=1 214.22 N。

此時，緊固螺釘?shù)淖畲蠹魬?yīng)力τc(MPa)為：

τc=4Fc/(π·d22).

(3)

其中:d2為緊固螺釘直徑，d2=8 mm。將相關(guān)參數(shù)代入式(3)計算得：τc=24.16 MPa。

1.1.2 緊固螺釘受到的最大拉應(yīng)力

當(dāng)載機(jī)做橫向或縱向機(jī)動時，投放器與載機(jī)機(jī)體的緊固螺釘受到的最大拉力Fl(N)為：

(4)

其中:F0為螺栓預(yù)緊力，查參考文獻(xiàn)[5]，F(xiàn)0≈6 250 N；ahmax為最大橫向或縱向加速度，ahmax=6g。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)計算得：Fl=6 596.92 N。

此時，緊固螺釘?shù)淖畲罄瓚?yīng)力σl(MPa)為：

σl=4Fl/(π·d22).

(5)

將相關(guān)參數(shù)代入式(5)計算得：σl=131.33 MPa。

綜合以上計算結(jié)果，查閱參考文獻(xiàn)[5]，航空通用M8螺釘材料的屈服強(qiáng)度σs≥800 MPa。因此，緊固螺釘許用應(yīng)力[σp]=640 MPa，遠(yuǎn)大于緊固螺釘受到的最大拉應(yīng)力σl=131.33 MPa；緊固螺釘許用切應(yīng)力[τp]=320 MPa，遠(yuǎn)大于緊固螺釘受到的最大剪應(yīng)力τc=24.16 MPa。因此，投放器與載機(jī)機(jī)體的緊固螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足設(shè)計要求。

1.2 投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)的連接強(qiáng)度計算

投放器由底座和彈匣兩部分組成，彈匣和底座通過鎖緊機(jī)構(gòu)連接緊固，因此，為保證飛機(jī)機(jī)動時投放器正常可靠工作，須對鎖緊機(jī)構(gòu)的連接強(qiáng)度進(jìn)行校核。

根據(jù)實(shí)際使用情況，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊后，在鎖緊機(jī)構(gòu)上預(yù)置了壓簧，預(yù)置壓力f=100 N。當(dāng)飛機(jī)做橫向機(jī)動時，鎖緊機(jī)構(gòu)受到的最大拉應(yīng)力σsjg(MPa)為：

(6)

其中：ms為彈匣滿載時總質(zhì)量，ms=10.5 kg；rs為鎖緊桿半徑，rs=2.5 mm。將相關(guān)參數(shù)代入式(6)計算得：σsjg=31.02 MPa。

鎖緊機(jī)構(gòu)內(nèi)的鎖緊桿采用7075高強(qiáng)度鋁合金制成，查閱參考文獻(xiàn)[5]，其許用應(yīng)力為400 MPa，遠(yuǎn)大于31.02 MPa，因此，投放器內(nèi)部的鎖緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

2 投放器有限元建模

投放器由底座和彈匣兩部分組成，彈匣和底座通過鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接緊固。底座主要由鋁合金外殼、PCB板組成，彈匣主要由碳纖維框體、鎖緊機(jī)構(gòu)組成。其中，鎖緊桿為7075鋁合金材料，彈匣框體為碳纖維T700復(fù)合材料，相關(guān)材料的物理特性[6]參數(shù)見表2。

表2 投放器使用材料的物理特性參數(shù)

為了對投放器進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，首先需對投放器進(jìn)行有限元建模。本文利用ABAQUS的Standard/CAE模塊對投放器各個部件劃分了高質(zhì)量的二階六面體網(wǎng)格，共得到網(wǎng)格298 081個。模型中的所有部件的邊界約束均按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，螺釘連接使用TIE約束，結(jié)構(gòu)限位使用CONTACT進(jìn)行接觸約束。其中兩個鎖緊機(jī)構(gòu)處使用彈簧元件模擬預(yù)壓縮的彈簧力作用[7]。投放器有限元模型如圖1所示。

圖1 投放器有限元模型

3 投放器模態(tài)分析

對投放器進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果如表3所示。

表3 投放器的前10階模態(tài)頻率

投放器前10階模態(tài)振型如圖2所示。根據(jù)模態(tài)分析的計算結(jié)果可知，投放器的第1階模態(tài)頻率為171.6 Hz，此時其z方向振動最為嚴(yán)重。從第1階和第2階振型圖可知，低頻振動時，鎖緊機(jī)構(gòu)為薄弱環(huán)節(jié)。從第6、第7階振型圖分析可知，在750 Hz～950 Hz頻率范圍振動時，投放器彈倉框體為薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 投放器前10階模態(tài)振型

根據(jù)國軍標(biāo)GJB 150.16A中的環(huán)境試驗方法表C.4.1中描述，典型的直升機(jī)主旋翼基本振源頻率大約在10 Hz～25 Hz之間，尾槳的基本振源頻率大約在50 Hz～100 Hz之間[8]。而根據(jù)投放器結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果可知，投放器第1階模態(tài)頻率為171.6 Hz，大于典型直升載機(jī)尾槳振源頻率范圍，大于主旋翼振源頻率范圍，由此可知投放器的最低共振頻率大于載機(jī)振源頻率范圍。因此，投放器的振動特性滿足典型直升載機(jī)振動特性要求。

4 投放器結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

直升機(jī)在機(jī)動飛行時，投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)是重要承力結(jié)構(gòu)。為分析過載情況下鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對鎖緊座體和鎖緊桿進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析。過載加速度選取10.5g，在單個鎖緊桿上加載一個8 kg質(zhì)量點(diǎn)用于模擬滿載情況下投放器的質(zhì)量。

投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計算模型如圖3所示。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計算模型

利用ABAQUS的Standard/CAE進(jìn)行計算，當(dāng)投放器加速度達(dá)到10.5g，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊8 kg質(zhì)量點(diǎn)時，鎖緊機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件的應(yīng)力云圖

由圖4可知:鎖緊桿受力較為嚴(yán)重的部位在尾部掛鉤處，除少數(shù)網(wǎng)格尖點(diǎn)位置外絕大部分應(yīng)力均小于90 MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁合金材料的許用應(yīng)力;下鎖緊機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力約為32 MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁合金材料的許用應(yīng)力。因此投放器內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)某直升機(jī)在各種機(jī)動條件下的加速度試驗量值，對某機(jī)載投放器的受力特性進(jìn)行了理論計算和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析，綜合比較理論計算和仿真分析結(jié)果得出，理論計算和仿真計算結(jié)果相近，該型投放器結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，表明該設(shè)計方法對機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度設(shè)計具有參考意義。

此外，為掌握投放器固有特性，本文對投放器進(jìn)行了模態(tài)分析，投放器第1階模態(tài)頻率大于典型直升載機(jī)尾槳振源頻率范圍，大于主旋翼振源頻率范圍，投放器的最低共振頻率大于載機(jī)振源頻率范圍，因此投放器的振動特性滿足典型直升載機(jī)振動特性要求。