某储运发射箱满载吊装响应分析

鲁霄光，李 军，张 震，刘 晴，丛龙腾

（1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2.湖北江山重工责任有限公司 研发中心，湖北 襄樊 441057）

在现代战争中，考虑到作战成本因素，不同作战环境下，需要不同型号的火箭弹成为一种趋势。以远程火箭炮来讲，打击远程目标和超远程目标，在保证杀伤力相同的情况下，则需要不同弹径（或不同长度）的火箭弹［1］。由此箱式发射技术应运而生，采用箱式发射的方式解决了多弹种共用发射装置的问题，实现了多弹种发射平台兼容的特点。在同一发射平台下，可以发射不同弹径、不同长度、不同射程覆盖的有控（或无控）火箭弹或导弹［2］。

笔者主要以某储运发射箱为研究对象，对储运发射箱在吊装情况下的动态响应做分析，主要内容包括以下两方面：

1）起始满载吊装状态下，储运发射箱动态响应情况。

2）吊装稳态情况下，储运发射箱的结构响应分析。

1 有限元仿真模型建立

一个完整的储运发射箱主要由箱体、箱盖、定向器和电器元件组成，如图1所示。

1.1 几何模型

有限元计算模型主要由箱体和定向器简化而来。吊装时，采用弹簧来模拟吊绳的作用，在吊绳的一端施加向上的起吊速度。仿真几何模型如图2所示。

1.2 网格生成

对储运发射箱进行全六面体结构网格划分，如图3所示。其中，箱体框架主要由6道夹板、4根支撑大梁和固支板组成。6道夹板编号如图3所示，全局坐标原点位于第6道夹板上。其中，第3、第5道夹板为固定夹板，与摇架连接，厚度为30mm，其他夹板几何结构相同且厚度均为10mm。

储运发射箱实体网格模型的网格参数见表1。

表1 储运发射箱的网格划分参数

各个部件的约束形式如表2所示。

表2 吊装过程各个部件之间的约束形式

1.3 材料参数

吊绳相对于整体模型的阻尼可以忽略不计，因此弹簧弹性刚度可作为吊绳刚度。经查阅，吊绳的参数如表3所示。

表3 吊绳参数

吊绳的伸长量

弹簧弹性刚度

储运发射箱部件材料参数如表4所示。

表4 储运发射箱部件材料参数

2 起始吊装动态响应分析

2.1 仿真计算

考虑到计算时间的原因，在接触较多的情况下，采用了ABAQUS隐式分析与显式分析相结合的分析方法。隐式分析主要针对重力（g＝9.803 m／s2）加载情况下的稳态分析，该求解器用来模拟满载储运发射箱在重力作用下达到静态平衡的过程，隐式分析时间为1s（以下所有有限元算例中，静态分析时间均设为1s）。显式分析主要是以静态分析的最终时刻为初始时刻，模拟起吊时瞬时动态外载荷对箱体的作用［4－5］，因此吊装起始时间为1s。

起吊速度加载曲线如图4所示，在0.025s内吊点速度由0增加到133mm／s。

2.2 结果分析

2.2.1 动态特性分析

通过设置监测点，绘制储运发射箱吊装点以及挂钩（左前、左后、右前、右后，一共4 个挂钩）在起吊过程中的动态特性图，如图5～8所示。由图5～6可知，t＝1.248s时，吊点x方向力达到最大值13.457kN。分析x方向产生较大力主要是因为储运发射箱质心与吊点不在与z轴平行的直线上，在发射箱转动惯量和弹簧的共同作用下，发射箱质心相对于吊点产生转动力矩。

z方向上最大吊装力出现在t＝1.180s左右，最大力为75.450kN，此时刻箱子已经吊起，接触力达到最大值。因此，在该状态下快速起吊储运发射箱在z方向至少需要75.450kN。由于弹簧及重力的综合作用，在t＝1.3s左右出现的波动正好是吊点受力最小的时刻。

另外，图7～8表明，挂钩加速度在1.2s和1.3 s时刻出现较大波动，这两个时刻恰好对应z方向吊装力的波峰和波谷。储运发射箱在1.14s后已经完全离地，在动态载荷作用下，储运发射箱产生振动，同时火箭弹与箱体也会产生不同的结构响应，由于弹管间隙火箭弹与定向管发生碰撞，弹体对箱体在纵向和铅垂方向均产生冲击。

储运发射箱静态放置于大地时，理论上火箭弹与定向管的轴线应当在同一轴线上，但由于弹管相互作用，不同的火箭弹与定向管接触的位置不同，导致储运发射箱的重心位置出现偏差，从而造成箱体与大地各个接触支点（在本算例中，箱体与大地6个接触面分别耦合为6 个接触支点）受力大小不同。

图9～10为储运发射箱前、后共6个支点在x、z方向所受到的接触力曲线。从图9和图10得到，箱体质心较吊点偏前，箱体后端在1.083s时刻首先离地，箱体前端在1.136s时刻完全离地。箱体后端中间支点加速度在初始阶段出现一定的波动，到t0＝1.015s时波动趋向于缓和。t1＝1.071s时发射箱后端中间支点与大地分离。但是由于后端左、右支点支撑面直径大于中间支撑面直径，所以左右两支点比中间支点与大地的分离时间晚且时间为t2＝1.095s。在t0～t2之间，吊装点一直沿z轴正方向运动，弹簧力波动较大，导致储运发射箱与大地的接触力波动较大。

2.2.2 结构刚强度分析

吊装过程中，储运发射箱结构最大应力时刻出现在t＝1.180s，该时刻为吊装点z方向上受力最大的时刻。图11主要显示了发射箱体各个主要区域的应力状况，在起始吊装过程中大应力区域主要出现在弹簧与夹板的连接处，即第4、5 道夹板，如图所示，最大应力为441.7 MPa，位置为大梁与夹板90°夹角处m、n两部分区域。

区域m、n为吊装弹簧一端的耦合面，该处应力值接近材料的屈服极限，考虑到此处要安装吊钩，因此建议对其结构进行优化改进。

3 吊装稳态情况下性能分析

3.1 仿真计算

在吊装稳定情况下，箱体可近似认为达到静态平衡。静态分析主要针对在吊装过程中，储运发射箱达到吊装平衡状态时刚强度情况以及发射箱的偏角情况。在本次静态计算过程中，将吊点作为边界条件固定于大地，使用隐式求解器。

3.2 结果分析

储运发射箱z方向位移云图如图12所示，位移云图印证了上文的分析，由于储运发射箱质心与吊点之间的偏差，箱体绕质心发生了转动。通过数据计算，储运发射箱在满载工况达到稳定状态时在x方向偏角为3.29°，由于发射箱模型左右对称，y方向偏角较小，为0.002 43°。

在吊装静态中，储运发射箱的应力情况如图13所示。

图中主要截取了发射箱夹板的应力情况，从图中可以看出在吊装稳定状态下，储运发射箱应力分布与起吊时箱体的应力分布略有不同。图13中6道夹板最大应力都超过了70 MPa，而在起始吊装工况下，其他夹板的应力都要远小于安装吊钩的第3、4道夹板。吊装稳态下，安装吊钩的第3、4道夹板的应力分布也有不同，由于第3道夹板的厚度是第4道夹板的3倍，所以第4道夹板整体应力明显偏大。考虑到这2 道夹板需要直接承受吊钩传递的吊装力，应当尽量统一结构尺寸。从整体结构的应力分布情况来看，吊装稳态时6道夹板上的应力分布比较均匀，且都达到了70 MPa，而起吊时只有2道夹板的应力到达了70 MPa，其他夹板应力较低。

4 结论

通过对储运发射箱满载起始吊装和吊装稳态的分析，可以得出以下结论：

1）以起吊速度133m／s起吊时，储运发射箱吊钩与夹板连接处应力较大，建议优化夹板结构，改进吊钩安装形式。

2）在重力方向上，储运发射箱质心点与吊装点的连线应尽量和重力平行。

3）储运发射箱离地后，箱体在水平面和铅垂面都会产生不同程度的偏角。

4）吊装达到动态平衡时对储运发射箱的强度影响大于起始吊装过程。

（References）

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［5］庄茁，由小川，廖剑晖，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］.北京：清华大出版社，2009：272－286.ZHUANG Zhuo，YOU Xiaochuan，LIAO Jianhui，et al.Finite element analysis and application based on ABAQUS［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2009：272－286.（in Chinese）