任愛娣，肖 肯，何學(xué)軍，余 鵬

(海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津300450)

垂直補(bǔ)給是指運(yùn)用直升機(jī)為海上航行或錨(漂)泊的艦艇實(shí)施物資補(bǔ)充的活動(dòng)。在導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給過程中，導(dǎo)彈補(bǔ)給設(shè)備與甲板接觸的瞬間，由于接收船受波浪的影響會(huì)發(fā)生升沉、橫搖、縱搖等六自由度運(yùn)動(dòng)，而且直升機(jī)駕駛員的熟練程度等因素都有可能使導(dǎo)彈補(bǔ)給設(shè)備與甲板發(fā)生碰撞。因此，研究導(dǎo)彈補(bǔ)給設(shè)備與甲板接觸瞬間的振動(dòng)問題，對(duì)保證導(dǎo)彈安全、提高補(bǔ)給效率具有十分重要的意義。

沖擊振動(dòng)廣泛存在于汽車、航空航天、軌道交通以及機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域。徐振欽等［1］研究了發(fā)射裝置沖擊振動(dòng)的液壓系統(tǒng)變阻尼控制，提高了多管火箭武器發(fā)射頻率的抗沖擊性能。高偉等［2］介紹了進(jìn)行基于汽車振動(dòng)的模態(tài)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵循的模態(tài)試驗(yàn)理論、模態(tài)試驗(yàn)方法及確保測(cè)試精度的相關(guān)措施。樸明偉等［3］在對(duì)車輛振動(dòng)舒適性進(jìn)行試驗(yàn)和仿真分析的基礎(chǔ)上，以拖車為對(duì)象，研究空簧懸架對(duì)車輛垂向振動(dòng)舒適性和地板振動(dòng)的影響。本文針對(duì)某型導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給貨物水平著艦的具體情況，對(duì)補(bǔ)給過程中的沖擊振動(dòng)進(jìn)行分析，得到振動(dòng)規(guī)律，對(duì)后續(xù)減振研究提供理論依據(jù)。

1 導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備有限元分析模型

在建立導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備有限元模型時(shí)，既要如實(shí)地反映設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要特性，也要采用盡量少的單元和簡(jiǎn)單的單元形態(tài)，以保證得到較高的計(jì)算精度并縮小計(jì)算規(guī)模。導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備是由多個(gè)構(gòu)件組合而成的實(shí)體，成型工藝較為復(fù)雜，選擇合理的模型是關(guān)鍵的一步。在使用ANSYS軟件對(duì)導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備進(jìn)行有限元分析前，先對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.1 研究對(duì)象實(shí)體模型

導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備模型如圖1所示，主要材料為復(fù)合大板，主要由頂板、前板、后板、中板、左右側(cè)板以及底板構(gòu)成，與底板連接有3根橫梁，方便船上導(dǎo)彈輸轉(zhuǎn)車進(jìn)行轉(zhuǎn)輸。

圖1 導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備簡(jiǎn)化模型

1.2 導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備復(fù)合大板模型簡(jiǎn)化

導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備是以復(fù)合板為主體的結(jié)構(gòu)材料，減振措施是在導(dǎo)彈指定位置加裝橡膠墊。根據(jù)復(fù)合板的具體結(jié)構(gòu)和材料組成，考慮到作為一個(gè)整體的復(fù)合大板在補(bǔ)給時(shí)主要承受沖擊振動(dòng)［4］，先求出復(fù)合大板整體沒有橡膠墊的應(yīng)力應(yīng)變，與墊有橡膠墊時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變相比較，進(jìn)而得出橡膠墊的減振效果。

復(fù)合大板是導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備的主體材料，以鋁合金板為內(nèi)外蒙皮，用來承受軸向載荷及徑向剪力;中間層填充硬聚氨酯泡沫板，將內(nèi)外蒙皮聯(lián)結(jié)成一體，承受由一塊蒙皮傳遞到另一塊蒙皮的載荷和剪力;膠黏劑將剪力傳到泡沫夾芯，再由夾芯傳到另一塊蒙皮［5］。

該補(bǔ)給設(shè)備底板骨架的材料是鋼Q235，其主要參數(shù):密度 ρ1=7.85 ×103kg/m3，彈性模量 E1=2.1 ×105MPa，泊松比 μ1=0.28。聚氨酯泡沫材料夾心復(fù)合大板的基本結(jié)構(gòu)參數(shù):蒙皮選用鋁合金2A12，厚度d1=1.5 mm，且內(nèi)外蒙皮厚度相等，蒙皮的彈性模量 E2=7 ×104MPa，泊松比 μ2=0.3，密度ρ2=2.7×103kg/m3;芯層材料是硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，厚度d2=50 mm。6塊大板結(jié)構(gòu)相同，復(fù)合大板內(nèi)不設(shè)加強(qiáng)梁，芯層材料彈性模量E3=10 MPa，泊松比 μ3=0.3，密度 ρ3=60 kg/m3［6］。

依據(jù)經(jīng)典層合理論，作以下假設(shè):

(1)鋁板和聚氨酯泡沫之間黏結(jié)牢固，變形前后，層間不產(chǎn)生滑移;

(2)整個(gè)層合板是加速度厚度相等;

(3)平行于板中面的各截面上的正應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)，并近似地認(rèn)為各層處于平面應(yīng)力狀態(tài)。

1.3 導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備主體模型簡(jiǎn)化

建立導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備的有限元分析模型，一般要采用面替代具有一定橫截面特征的實(shí)體或?qū)嶋H構(gòu)件，以達(dá)到精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的目的。使用UG軟件，可快捷而直觀地完成模型的建立，使整個(gè)建模過程趨于簡(jiǎn)單化，節(jié)省建模的時(shí)間和步驟。

導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備是6塊大板組成的六面立方體，整體結(jié)構(gòu)是由角形件和角件組成(如圖2所示)。垂直補(bǔ)給設(shè)備底部還設(shè)有3根橫梁。在簡(jiǎn)化導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備模型時(shí)，可作下列假設(shè):

(1)導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備大板與大板之間以及大板與角形件之間均緊密接觸，變形前后無相對(duì)滑動(dòng);

(2)垂直補(bǔ)給設(shè)備殼頂變形前后，均不與內(nèi)部導(dǎo)彈發(fā)生接觸，即內(nèi)裝導(dǎo)彈與殼頂之間沒有相互作用力。

圖2 復(fù)合大板的梁和角形件的簡(jiǎn)化

基于上述假設(shè)，可將導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備模型簡(jiǎn)化成一個(gè)封閉的殼體、3個(gè)橫梁和2枚導(dǎo)彈及4個(gè)適配器。再假設(shè)導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備殼體與橫梁緊密結(jié)合，微小變形前后，二者均無相對(duì)滑動(dòng)或斷裂，故可將模型建立在同一個(gè)零件圖中，即將二者簡(jiǎn)化為一個(gè)整體。最終模型如圖1所示。

橡膠墊加裝于導(dǎo)彈與補(bǔ)給設(shè)備底板之間，橡膠阻尼系數(shù)取0.1～0.15。橫梁等間距分布于殼體底部，設(shè)備下落接觸甲板時(shí)，會(huì)在導(dǎo)彈與適配器及橡膠墊接觸處產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的大小表示接觸時(shí)振動(dòng)的強(qiáng)弱。橫梁為工字形，材料選用聚氨酯泡沫材料的夾心復(fù)合板。

1.4 有限元網(wǎng)格劃分

利用ANSYS軟件，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散化。采用MeshTool中Smart Size命令，充分利用ANSYS軟件的自適應(yīng)功能，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化，這樣能使網(wǎng)格劃分更為合理。對(duì)殼體和橫梁取單元大小為100 mm，對(duì)彈體取單元大小為10 mm，在與彈體接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，單元大小為5 mm，對(duì)面體進(jìn)行面網(wǎng)格劃分(如圖3所示)。

圖3 導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備模型網(wǎng)格劃分

2 基于ANSYS的導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給振動(dòng)分析

設(shè)導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給著艦時(shí)甲板固定不動(dòng)，補(bǔ)給設(shè)備的加速度垂直向下。分別取補(bǔ)給設(shè)備從距離甲板10、15、20 cm的高度處開始著艦。垂直補(bǔ)給過程是在相對(duì)穩(wěn)定的海況下進(jìn)行的，補(bǔ)給設(shè)備下落到甲板的過程近似于補(bǔ)給設(shè)備自由落體。對(duì)上述3種情況進(jìn)行等效處理，等效為補(bǔ)給設(shè)備以不同的初速度從同一高度下落，水平著艦后產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。設(shè)補(bǔ)給設(shè)備與甲板間的距離為1 mm，則設(shè)備距離甲板1 mm處的初速度分別為1.4、1.7、2.0 m/s，與甲板接觸的時(shí)間同為 0.1 s。

通過ANSYS軟件進(jìn)行分析計(jì)算，可得到無橡膠墊情況和有橡膠墊情況下的導(dǎo)彈殼體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖(如圖4(a)、(b)所示)。由圖4可知，導(dǎo)彈受力主要集中在與適配器接觸處，其余各處未受到影響。

圖4 導(dǎo)彈殼體應(yīng)力分布

經(jīng)過計(jì)算得出導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備不同高度下落情況下的應(yīng)力和應(yīng)變情況(見表1)。無橡膠墊情況與有橡膠墊情況最大應(yīng)力對(duì)比如圖5所示。由表1中的最大應(yīng)力一欄可知，導(dǎo)彈殼體的最大應(yīng)力隨著距離甲板高度的增加而增大。由圖5可知，補(bǔ)給時(shí)下落的距離會(huì)對(duì)導(dǎo)彈殼體產(chǎn)生影響，加裝橡膠墊會(huì)使導(dǎo)彈殼體的最大應(yīng)力大幅減小，所以，在導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備內(nèi)采取減振措施是非常有必要的。

表1 3種高度下導(dǎo)彈殼體最大應(yīng)力和應(yīng)變

圖5 有、無橡膠墊情況最大應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)語

通過建立導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給設(shè)備有限元分析模型，將模型簡(jiǎn)化并進(jìn)行仿真計(jì)算分析，可知導(dǎo)彈殼體的最大應(yīng)力隨著距離甲板高度的增加而增大，加裝橡膠墊會(huì)使導(dǎo)彈殼體的最大應(yīng)力大幅減小。所以，在確定適宜的下落高度后，采取有效的減振措施可以減少導(dǎo)彈垂直補(bǔ)給水平著艦沖擊振動(dòng)對(duì)導(dǎo)彈的影響，使導(dǎo)彈補(bǔ)給更加安全、可靠。

［1］ 徐振欽，馮勇，于存貴.發(fā)射裝置沖擊振動(dòng)的液壓系統(tǒng)變阻尼控制［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(10):106 －109.

［2］ 高偉，柴光遠(yuǎn).基于汽車振動(dòng)的模態(tài)試驗(yàn)方法探究與應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(8):36－38.

［3］ 樸明偉，任晉峰，李娜，等.基于空簧懸掛特性的高鐵車輛垂向振動(dòng)舒適性對(duì)比研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2012，33(1):71－77.

［4］ 胡起偉，王廣彥，石全，等.爆炸沖擊振動(dòng)環(huán)境下電子裝備損傷仿真研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2012，33(1):13 －18.

［5］ 王良模，吳長(zhǎng)風(fēng)，王晨至.特種車輛方艙結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(6):707 －709.

［6］ 劉亞超，宣兆龍，樂惠寧，等.導(dǎo)彈集裝單元儲(chǔ)存靜力學(xué)有限元分析［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，23(6):39 －42.