飛機(jī)牽引車抗沖擊分析與試驗(yàn)

劉學(xué)文 閆洪峰 石明堃 賈雙龍 楊 崇

1 北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司 北京 100083 2 西北工業(yè)大學(xué) 西安 710072

0 引言

艦船設(shè)備抗沖擊能力是關(guān)系到艦船作戰(zhàn)效能與安全性的重要因素之一，是整個(gè)艦船抗沖擊性能的重要組成要素，特別是一些關(guān)鍵設(shè)備的抗沖擊能力更是決定了艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力。艦船設(shè)備抗沖擊研究的歷史可以追溯到19 世紀(jì)，A 國(guó)海軍在1860 年進(jìn)行了船體抗爆試驗(yàn)[1]。歐洲數(shù)個(gè)主要海軍國(guó)家隨后聯(lián)合進(jìn)行過(guò)多次實(shí)船爆炸試驗(yàn)，并制定了諸多艦船設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，如STANAG4142《水面艦船設(shè)備的抗沖擊強(qiáng)度分析》等[2]。我國(guó)艦船設(shè)備抗沖擊防護(hù)研究始于20 世紀(jì)60、70 年代，并于20 世紀(jì)90 年代起逐步加大了艦船設(shè)備抗沖擊研究的力度[3]。目前國(guó)內(nèi)主要采用抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法或沖擊試驗(yàn)對(duì)艦船設(shè)備抗沖擊能力進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基本情況

牽引車是常見(jiàn)的艦船設(shè)備，主要用于艦面與船艙內(nèi)的物資轉(zhuǎn)運(yùn)。飛機(jī)牽引車是牽引車的一種，主要用于艦載機(jī)在飛行甲板與船艙機(jī)庫(kù)的牽引、頂推及轉(zhuǎn)運(yùn)，是艦船上飛機(jī)調(diào)運(yùn)不可或缺的設(shè)備。飛機(jī)牽引車的抗沖擊性能直接影響艦載機(jī)能否順利調(diào)運(yùn)、起降，故其抗沖擊性能的良好尤為重要。某型飛機(jī)牽引車為專門(mén)針對(duì)艦船環(huán)境研制的艦載機(jī)牽引設(shè)備，根據(jù)實(shí)際使用工況要求，該飛機(jī)牽引車應(yīng)滿足抗沖擊A 級(jí)要求[4，5]。

A 級(jí)設(shè)備是指對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設(shè)備。此類設(shè)備的性能在沖擊時(shí)和沖擊后應(yīng)無(wú)顯著變化，且不引起設(shè)備任何部位脫開(kāi)或以其他方式對(duì)人員或要害系統(tǒng)產(chǎn)生危害（如構(gòu)件的墜落、電氣短路等）。通常使艦船保持下列能力所需要的系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)定為A 級(jí)：

1）能自動(dòng)自校(如吸力的喪失、安全閥的提升或儀表讀數(shù)的中斷)，隨后不出現(xiàn)A 級(jí)設(shè)備功能的紊亂；機(jī)動(dòng)能力、通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗能力、目標(biāo)跟蹤、武器發(fā)射制導(dǎo)不會(huì)中斷或性能不明顯降低；

2）所造成的A 級(jí)設(shè)備或系統(tǒng)的任何功能性降低可由操作人員立即診斷出來(lái)并迅速恢復(fù)基本功能；

3）控制器、過(guò)載繼電器等因沖擊引起脫扣，復(fù)位后只要仍能保證在85%極限脫扣電流以下便不會(huì)脫扣。

目前，對(duì)于艦船設(shè)備抗沖擊性能的評(píng)估主要采用沖擊試驗(yàn)、艦艇模型實(shí)驗(yàn)、實(shí)船水下爆炸實(shí)驗(yàn)以及有限元抗沖擊分析等手段[6]，但單一的測(cè)試手段難以確保評(píng)估的準(zhǔn)確性。本文采用仿真分析與實(shí)車沖擊試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)照的綜合分析的方法，可以對(duì)飛機(jī)牽引車的抗沖擊性能進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)估[7]。

2 飛機(jī)牽引車結(jié)構(gòu)

飛機(jī)牽引車按與飛機(jī)的連接方式可分為有桿飛機(jī)牽引車和無(wú)桿飛機(jī)牽引車。有桿飛機(jī)牽引車即通過(guò)1 根牽引桿實(shí)現(xiàn)車與飛機(jī)的連接；而無(wú)桿飛機(jī)牽引車是通過(guò)布置在車體后部的1 套夾持舉升裝置將飛機(jī)前輪抱夾到牽引車上，實(shí)現(xiàn)無(wú)桿牽引與頂推。本文研究對(duì)象無(wú)桿牽引為主、有桿牽引為輔的牽引車。

該無(wú)桿牽引車總體布局上為3 點(diǎn)支撐方式，前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)。由于高度限制未配備駕駛室，整車高度從前向后階梯降低，以增加飛機(jī)與牽引車之間的安全距離，并使駕駛員在對(duì)接飛機(jī)時(shí)能較好地觀察到前機(jī)輪。主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 飛機(jī)牽引車結(jié)構(gòu)

其前輪為2 個(gè)并列單輪，采用液壓助力轉(zhuǎn)向，2 個(gè)后輪直接安裝在2 個(gè)低速大扭矩液壓馬達(dá)上，采用輪邊驅(qū)動(dòng)方式。動(dòng)力源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，縱向放置于車左前部，通過(guò)彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)1 個(gè)液壓變量柱塞泵以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。2 后輪中間裝置為飛機(jī)牽引車的工作機(jī)構(gòu)夾持舉升裝置。夾持舉升裝置采用縱向輥輪式夾持機(jī)構(gòu)，用滑套及前后輥輪等部件實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)機(jī)輪的夾持、壓緊、松開(kāi)、上升、下降等操作，操作簡(jiǎn)單，安全可靠；也可通過(guò)增加牽引梁裝置實(shí)現(xiàn)有桿牽引方式。相比地面使用的普通飛機(jī)牽引車輛，該飛機(jī)牽引車具備牽引力大、速度平穩(wěn)、加速制動(dòng)柔和、轉(zhuǎn)向靈活等特點(diǎn)。

飛機(jī)牽引車車橋及上部各部件為其主要結(jié)構(gòu)，完成設(shè)計(jì)后對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元三維建模、分析，并在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)實(shí)車樣機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備是否滿足狀態(tài)。

3 沖擊力學(xué)模型的建立

任何一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)都可以分解成2 個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)組成。飛機(jī)牽引車與整船船體結(jié)構(gòu)以及牽引車主要結(jié)構(gòu)與上各部分設(shè)備都是復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)。由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析可知，復(fù)雜系統(tǒng)各組成部分之間存在相互耦合的關(guān)系，分析難度極大[8]；且車橋上部電器部件在選購(gòu)時(shí)已經(jīng)滿足抗沖擊要求，所以本文將僅對(duì)牽引車主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊分析。

受沖擊的牽引車主要結(jié)構(gòu)可以近似地用一個(gè)有阻尼的單自由度系統(tǒng)表示，如圖2 所示。設(shè)系統(tǒng)受到的沖擊作用為

圖2 牽引車主要結(jié)構(gòu)沖擊力學(xué)模型

其運(yùn)動(dòng)方程為

式中：G為牽引車主要結(jié)構(gòu)的總重力，γ為等效阻尼系數(shù)，k為等效彈性系數(shù)。

令

式中：ωa為振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率，ξa為振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率。

則式（1）可改寫(xiě)成

通解為

B和α由該系統(tǒng)的初始條件確定。

此系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解為

穩(wěn)態(tài)解的相位

穩(wěn)態(tài)解的幅值

由式（6）～式（8）可得牽引車主要結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用時(shí)其振動(dòng)形態(tài)的變化，可以作為判斷牽引車沖擊環(huán)境特征的參考[9]。

4 抗沖擊分析

4.1 創(chuàng)建有限元模型

在Hypermesh 軟件中建立飛機(jī)牽引車主要結(jié)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分。建模過(guò)程中對(duì)不影響沖擊響應(yīng)結(jié)果的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。其初始狀態(tài)有限元模型如圖3 所示。該有限元模型包含202 232單元，211 424 節(jié)點(diǎn)，且單元質(zhì)量較高。在模型簡(jiǎn)化后，質(zhì)量以及重心符合原車的質(zhì)量和重心，簡(jiǎn)化后整車的質(zhì)量以及重心沒(méi)有太大變化，故用此模型進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果可信。

圖3 牽引車主要結(jié)構(gòu)有限元模型

4.2 設(shè)計(jì)抗沖擊環(huán)境

該飛機(jī)牽引車大部分時(shí)間在甲板上使用，根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，采用相關(guān)公式計(jì)算設(shè)計(jì)譜加速度和設(shè)計(jì)譜速度[10]

式中：A0為等加速度譜值，V0為等速度譜值，ma為設(shè)備的有效質(zhì)量。

該飛機(jī)牽引車整備質(zhì)量約6 t，計(jì)算時(shí)取總質(zhì)量的80%作為式(9)和式(10)中的有效質(zhì)量。牽引車安裝于水面艦船的甲板上，將計(jì)算得到的等加速度譜值A(chǔ)0和等速度譜值V0按照表1 所示設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，得到?jīng)_擊譜如表2 所示。

表1 水面、艦船沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值

表2 飛機(jī)牽引車沖擊譜設(shè)計(jì)值

計(jì)算條件中采用半三角波變化歷程作為輸入載荷，半三角波變化歷程曲線如圖4 所示。

圖4 半三角波變化歷程

為了使沖擊環(huán)境與設(shè)計(jì)譜相接近，圖3 中所示的各參數(shù)按照式（10）計(jì)算得到，半三角波變化歷程各參數(shù)如表3 所示。

表3 半三角波變化歷程各參數(shù)

4.3 結(jié)構(gòu)抗沖擊分析

根據(jù)沖擊力學(xué)模型以及沖擊設(shè)計(jì)譜的設(shè)計(jì)值等條件，對(duì)飛機(jī)牽引車有限元模型進(jìn)行相應(yīng)抗沖擊分析，得到結(jié)構(gòu)分別在垂向、縱向和橫向沖擊作用下的應(yīng)力響應(yīng)云圖。

4.3.1 垂向沖擊牽引車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)

圖5 所示為牽引車在垂向沖擊下整體應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力為305.6 MPa，位于車架中間區(qū)域。

圖5 牽引車整體應(yīng)力分布-垂向

4.3.2 縱向沖擊牽引車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)

圖6 為牽引車在縱向沖擊下的整體應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力為287.6 MPa，位于車前起重架兩端。

圖6 牽引車整體應(yīng)力分布-縱向

4.3.3 橫向沖擊牽引車結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)

圖7 為牽引車在橫向沖擊下的整體應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力為287.7 MPa，位于尾部中間位置。

圖7 牽引車整體應(yīng)力分布-橫向

4.4 結(jié)果分析

飛機(jī)牽引車結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q550D，其屈服強(qiáng)度為550 MPa，在低溫環(huán)境下有較好的抗沖擊性能。根據(jù)對(duì)牽引車的結(jié)構(gòu)抗沖擊分析：在3 個(gè)方向加載的情況下，整車的總體響應(yīng)較小，符合抗沖擊要求[11]。雖局部響應(yīng)較大，最大響應(yīng)值可達(dá)305.6 MPa，但未超過(guò)材料屈服應(yīng)力，且安全系數(shù)為1.8。最大響應(yīng)主要位于后輪基座靠近車頭位置、車架中部、車頭牽引架底座兩端與車架相連接區(qū)域。以上計(jì)算過(guò)程根據(jù)實(shí)際工程計(jì)算需要，對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理[12]。另外，由于部分設(shè)備的具體構(gòu)造以及材料屬性未知，設(shè)備主要以質(zhì)量點(diǎn)或質(zhì)量塊形式代替。因此，需要在下一步?jīng)_擊試驗(yàn)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型及設(shè)備模型細(xì)化，以得到最終更精確的結(jié)果[13]。

5 實(shí)車沖擊試驗(yàn)

為了與仿真結(jié)果相對(duì)照，將飛機(jī)牽引車在抗沖擊技術(shù)試驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)車沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后首先檢查了牽引車各主要結(jié)構(gòu)件未見(jiàn)異常；其次對(duì)該牽引車進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)/電動(dòng)機(jī)分別2 種狀態(tài)下的啟動(dòng)、行走、制動(dòng)以及工作裝置等動(dòng)作，各項(xiàng)功能、性能均正常。

在實(shí)車沖擊試驗(yàn)后，再次對(duì)牽引車進(jìn)行了性能測(cè)試，主要進(jìn)行了最大牽引力、速度、工作裝置作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了性能復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)性能指標(biāo)與沖擊前基本一致。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)4 個(gè)主要部件進(jìn)行了性能測(cè)試，4 個(gè)主要部件均未發(fā)現(xiàn)性能異常。通過(guò)以上分析和試驗(yàn)，飛機(jī)牽引車滿足抗沖擊的要求。

6 結(jié)論

A 級(jí)設(shè)備是指對(duì)艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設(shè)備。這種設(shè)備的性能在沖擊時(shí)和沖擊后應(yīng)無(wú)顯著變化，且不引起設(shè)備任何部位脫開(kāi)或以其他方式對(duì)人員或要害系統(tǒng)產(chǎn)生危害。飛機(jī)牽引車艦載機(jī)的保障裝備，應(yīng)滿足GJB1060.1-1991 中的A 級(jí)要求。

1）以飛機(jī)牽引車為研究對(duì)象，建立了飛機(jī)牽引車有限元模型，并搭建A 級(jí)艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境，在有限元分析軟件中進(jìn)行抗沖擊分析，獲得其在沖擊作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)云圖，判斷飛機(jī)牽引車主要結(jié)構(gòu)的抗沖擊強(qiáng)度；

2）在抗沖擊技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)車抗沖擊試驗(yàn)，得到飛機(jī)牽引車主要結(jié)構(gòu)沖擊測(cè)試數(shù)據(jù)；與仿真分析結(jié)果相對(duì)照，對(duì)飛機(jī)牽引車在沖擊下的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出優(yōu)化方向；

3）采用仿真分析與實(shí)車沖擊試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)照的綜合分析方法，對(duì)飛機(jī)牽引車的抗沖擊性能進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)估。并從2 方面驗(yàn)證了飛機(jī)牽引車滿足A 級(jí)艦船設(shè)備的抗沖擊要求。