有效載荷快速更換模式及其振動特性研究

張元+孟博洋+蔣小寒

摘 要：針對現役有效載荷急需縮短更換維護時間的技術要求，研究了一種新型有效載荷快速更換模式。通過運動學仿真分析，推導出新模式下有效載荷的更換時間，詳細描述了其更換過程。并結合有限元分析，對其連接處穩定性影響因素進行研究，指出了結構承載力與工作環境振動頻率之間的關聯性。研究結果表明，新型快速更換模式能夠將有效載荷更換維護時間縮短至原來的10%，并且能夠滿足常規核彈發射裝置的振動環境要求。

關鍵詞：

有效載荷；快速更換模式；振動；諧響應

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.003

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）06-0015-05

Abstract：The existing payload has an urgent needs to shorten the maintenance time in technical requirements. This paper offered a new type of payload fast replacement mode. According to the kinematic simulation， replacement time of the new mode was deduced and details of its process was explicit introduced. Study of the influence factors which affect connection stability is analyzed by the finite element method and pointed out the relationship between structural loads and vibration frequency in working environment. The result shows that the new mode was able to shorten the maintenance time to 10% and met the requirements of the vibration environment of conventional nuclear missile launching device.

Keywords：payload；fast replacement mode；vibration；harmonic

0 引 言

導彈等武器裝備的有效載荷（爆破物）多數為火工制品，在非戰斗狀態時需要經常從整流罩內拆解下來進行日常維護保養工作。其拆卸維護時的有效載荷更換作業時長，是導彈武器裝備維修性考量的一項重要指標[1]。

目前有效載荷的更換模式一般都是將有效載荷與整體支撐結構（如支座等）預先固定連接在一起，之后再將整體支撐結構與導彈平臺連接。現有的有效載荷支撐結構多數使用螺栓與導彈平臺進行固定連接，而由于火工品載荷質量大，導彈內部空間較小及發射環境復雜等因素的影響，往往導致支撐結構與平臺連接處螺栓數目增多，并且在狹小空間內裝卸比較困難，影響有效載荷整體維護作業時間[2]。

由于目前武器裝備的發射條件復雜、飛行環境的隨機性等。對有效載荷的連接節點處，不僅要求具有快速性、簡性能等，更是要求具有自鎖功能，并且要保證連接節點在發射振動環境中的高度可靠性，防止在發射及飛行振動環境中發生共振等問題。

隨著現代化武器裝備技術的提升和多彈頭等技術的發展應用[3]，更新有效載荷更換模式，降低維護時間、維護難度以及如何保障快速更換模式可靠性等問題愈發突出影響導彈武器裝備的作戰實用性，并受到廣泛的關注[4]。目前國內正在加緊研究縮短導彈設備維護時間等方面的措施，并取得了一定的成果[5-6]。本文就是基于上述技術難點針對有效載荷更換模式及連接處振動可靠性而開展的一項研究工作。

1 設計方案

1.1 主要功能要求

①支座的裝卸速度要比螺栓連接方式的支座在速度上有較大提高；②用于固定導彈有效載荷，承載爆破物，符合中小型導彈的一般發射載荷，并且支座應預留有起爆點火裝置的空間；③可以方便、準確地將起爆物安裝在導彈的艙段上，兼顧導彈的垂直、水平、多角度安裝條件；④在滿足載荷條件的情況下盡量減輕質量負擔。

1.2 基本組成要求

有效載荷支座由固定部分、連接部分及對接鎖緊部分組成。

1.3 安全要求

①要求支座在質量一定的前提下，具有較高的安全系數；②支座具有較好的抗振性及連接穩定性；③底面受力應均勻，避免局部受力出現峰值的情況；④拆卸占用空間應較小，整體結構緊湊，避免空間浪費。

1.4 易用性要求

支座支撐和固定結構的設計重量要輕，兼顧承載能力。鎖緊和解鎖的動作要簡潔，兼顧導彈內部的空間，拆卸動作邊界要小。整體結構緊湊、耐用，鎖緊時抗振性要好。定位簡單準確，受到載荷時的變形量低。預留點火裝置的空間，及其他附屬裝置的改動潛在位置空間等。

1.5 構型設計及設計方案

目前導彈上常用的連接方式多為螺栓連接方式，而且因為射程及尺寸問題，有效載荷支座的設計環境往往為小空間、重載的使用環境。而在這種環境下使用傳統的螺栓連接方式會導致螺栓數量增多，裝卸可操作性差、時間長等問題。

新型連接方案采用滑槽設計，將固定支座分為上、下兩個部分，上部分帶有凸出的滑塊，下部分是與之配合的滑軌。滑軌之間開有插口，使上部分的支座可以豎直落下插到滑軌槽內，并可以沿著滑軌移動。在落入滑軌槽內后大約移動30mm左右，此時兩側滑槽到達配合點，擰緊支座尾部的螺栓，在螺栓的推動下滑塊緩緩前進，直至前端滑塊到達定位點。此時也將兩側滑塊的其余5個自由度鎖緊，并且在螺栓的推力作用下支座的最后一個自由度也被鎖緊，以此達到固定支座的目的。在支座拆卸時先擰動支座尾部的螺栓，在螺栓的帶動下支座緩緩退出，退出到一定距離后支座預緊力消失，這時可以直接用手或吊裝設備移出有效載荷和支座，如圖1所示。endprint

2 快速性分析

新型快速鎖緊支座，在使用時底部預先通過螺栓與連接面固定，頂部與有效載荷固定連接。上下兩部分在安裝操作時與螺栓連接方式相比，具有如下優點：①從復雜性角度上講，新型支座的安裝孔位對準范圍較大，裝配方便；②從可操作性角度上講，采用滑槽導向推動，并且擁有斜面角度，在最后的鎖緊距離由尾部螺栓推動，代替了以往人工推動的過程，位置精確，可操作性能高；③從時間上考慮，新型支座在鎖緊時，只操作一個螺栓，并且不需要對準螺栓孔等費時的操作過程。經運動仿真分析，與原更換模式相比，預計可以將時間縮短到原更換模式用時的10%以內，如表1所示。因此新型有效載荷快速鎖緊支座可以滿足設計要求，大幅縮短有效載荷維護時間。

3 振動特性分析

有效載荷的振動是影響新型支座連接效果好壞的一個重要指標，火箭等航天設備在運行過程中由于發動機工作的振動和氣流波動引起隨機的振動，會使連接底座受到激勵作用，這種激勵有可能引起支座整體產生劇烈振動。支座的振動直接影響有效載荷的穩定性與可靠性，并且對連接處的機械結構與使用壽命產生影響，因此，針對有效載荷支座復雜的非線性振動特點，采用ANSYS有限元技術分析支座的振動特性，通過對載荷整體的模態分析，為支座的振動分析和減振控制提供一種可行的理論分析方法。

3.1 振動分析理論

3.3 模態分析

模態分析是解析結構振動特性的基礎[8-9]，本文對有效載荷支座進行了前6階的模態分析，找出其結構的固有頻率和振型，從而避免結構共振，其中前6階陣型如圖4所示。

對圖4分析后可以看出，前6階模態分析中固有頻率隨著階數增加而增加，其中前三階的固有頻率相差較大，后四階的固有頻率差值較小。因此有效載荷支座在設計時，應避免工作在950～1050Hz的范圍內，以排除發生共振的可能性。支座的前6階固有頻率如表3所示。

3.4 諧響應分析

根據支座動態分析的實際情況，在支座頂部6個螺栓上施加X、Y、Z方向簡諧力，幅值為1000N，并根據模態分析結果，選擇其頻率范圍為0～700Hz，能覆蓋載荷和支座主要模態的特征頻率，步長為 10Hz。在所施加頻段簡諧力的激勵下，支座底部連接處的X向位移-頻率變化關系曲線、Y向位移-頻率變化關系曲線和 Z位移-頻率變化關系曲線，如圖5～7所示。這是衡量新型支座連接振動考察的重要指標[10-11]。

由以上對支座X、Y、Z軸各方向的諧響應分析可知：

1）新型連接形式的有效載荷支座其后四階的固有頻率差值較小，因此有效載荷支座在設計時，應避免工作在后四階頻率（950～1050Hz）的范圍內；

2）有效載荷支座在280～320Hz的頻率范圍下受到的應變位移量出現極值。在此頻率范圍下，有效載荷底部的應力和振動變化幅度非常大，處于不穩定狀態，因此應避免使有效載荷在此頻率附近重載工作；

3）新型連接形式有效載荷支座的應力和振動位移隨著頻率的提高而增大，其中在270Hz之前增幅速度緩慢，在320Hz之后增幅速度變快；

4）另外，在200Hz范圍內的應力或位移響應較為穩定，處于常規運輸狀態下的振動頻率范圍內，符合運輸條件下的振動穩定性。

4 結 語

針對有效載荷快速維護性的需求，本文研究了一種新型的快速鎖緊支座，可以將有效載荷維護時間縮短至原來的10%。通過應用有限元方法對模型的振動影響進行分析，結果表明：新型支座在負載情況下低頻易發生共振的區域為280～320Hz，高頻易發生共振的區域為950～1050Hz，滿足一般航天設備的振頻工作環境，為有效載荷快速鎖緊支座進一步樣機試驗提供了理論基礎。

參 考 文 獻：

[1] 李艷霞，秦吉良，張維，等. 對導彈武器裝備維修性工作的幾點思考[J]. 航天工業管理，2015（1）：16-18.

[2] 趙汝巖，翁璐，崔海斌. 導彈武器裝備健康管理體系及關鍵技術[J]. 戰術導彈技術，2013（3）：28-31+58.

[3] 張新偉. 空空導彈戰斗部技術現狀及發展分析[J]. 航空科學技術，2011（3）：38-41.

[4] 王潔，王朕，鄧力，等. 國外潛射彈道導彈的研究現狀及關鍵技術[J]. 飛航導彈， 2015（10）：6-10.

[5] 張琳，孫安全，王天一，等. 某型導彈裝備的故障智能診斷[J]. 中南大學學報（自然科學版），2013（S1）：216-220.

[6] 周越文，吳昊，翟穎燁，等. 導彈不開箱維護的可行性研究[J]. 計算機測量與控制，2013（6）：1550-1551+1555.

[7] 張春宜，路成，費成巍，等. 航空發動機葉片的極值響應面法可靠性分析[J]. 哈爾濱理工大學學報，2015，20（2）：1-6.

[8] 周德繁，高炳微，智政. 重型龍門鏜銑床橫梁有限元分析與結構優化[J]. 哈爾濱理工大學學報，2013，18（2）：72-76.

[9] 丁德勇，張鈞，賀雙元. 推力軸承基座帶預應力諧響應分析[J]. 中國艦船研究，2010（3）：52-55.

[10]武金寰. 導彈艙體安裝結構優化與功率流隔振設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[11]張程. 導彈儀器艙安裝支架優化及減振性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

（編輯：溫澤宇）endprint