整流罩快速對接設計及其結構特性分析

張元 范華平 蔣小寒 李奚晗

摘 要：基于整流罩對接結構的特點，針對需要縮短對接時間的要求，設計了一種鎖緊鉤爪形式的整流罩對接結構。與現有整流罩的螺栓連接結構相比，該整流罩的連接結構可以通過齒輪齒條帶動鎖緊鉤爪進行連接，有效地提高了整流罩對接速度。以新型整流罩對接結構為研究對象，建立該連接結構的三維模型，應用ANSYS Workbench有限元分析軟件，對單個整流罩連接結構進行結構特性分析。研究結果表明：該快速連接結構與現有整流罩的螺栓連接結構相比，不僅能夠滿足導彈在發射過程中振動環境的要求，而且有效減少了74%的對接時間。

關鍵詞：整流罩;快速對接;結構特性;模態分析;隨機振動

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.009

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0053-06

Abstract：Based on the characteristics of fairing structure docking， in order to shorten the time required for docking， a locking claw form fairing butt joint structure has been designed. Compared with the existing fairing bolt connection， the new connection structure of the fairing can drive the connecting locking hook through the gear rack， effectively improve the fairing docking speed. Threedimensional model of the connection structure has been established based on the new fairing connection structure， applying ANSYS Workbench finite element analysis software， the single fairing connection structure analysis of structural characteristics. The results show that： compared with structure with existing fairing connection， the new fast connection can not only meet the environmental vibration during payload launching and docking speed requirements， but also reduce the docking time by 74%.

Keywords：fairing; fast docking; structural characteristics; modal analysis; random vibration

收稿日期： 2016-11-27

基金項目： 國家自然科學基金（51375125）.

作者簡介：

范華平（1991—），男，碩士研究生;

蔣小寒（1994—），女，碩士研究生.

通信作者：

張 元（1966—），男，教授，碩士研究生導師，Email：zhangyuan1966@163.com.

0 引 言

整流罩是用于保護其內部有效載荷，防止有效載荷在通過大氣層時受氣動力、氣動熱及聲振等有害環境的影響，是整個裝置的重要組成部件[1]。在技術準備和日常維護使用過程中，整流罩需要經過多次拆裝，其作業時長是有效載荷維修的一項重要指標[2]。

目前整流罩的對接是采用螺栓進行徑向連接的方法，螺栓數量較多，拆裝時間長，工作量大，很大程度上限制了對接的快速性。隨著武器裝備技術的發展，我國在縮短有效載荷維護時間上取得了一定的進展[3]。 本文參考了現有的整流罩對接結構，分析了其結構特點和設計要求，優化設計出一種鎖緊鉤爪形式的整流罩快速對接結構。

整流罩對接是將整流罩和分導艙的連接框加工成圓柱形的內、外表面，連接位置的螺栓孔設計有內螺紋，通過大型吊裝設備進行軸向對接，然后調整周向位置對準螺栓孔，最后擰緊多個徑向螺栓進行連接固定[4-5]，如圖1、2所示。徑向螺栓連接的結構形式相對簡單，承載能力強，相對容易進行裝配加工[6]。除此之外，還有多種連接方式，由于多種原因，很少應用于整流罩對接連接上[7]。現有整流罩對接結構如圖1所示。

1 設計方案

1.1 工作原理

新型整流罩對接方案采用鎖緊鉤爪形式的連接結構。在整流罩內圈安裝有支撐結構，并在該結構上設計有凸輪槽的圓環。圓環上部安裝有齒輪齒條，下部有凸輪槽環。將整流罩對心插入分導艙后，擰動齒輪，通過齒條的傳遞帶動圓環的旋轉，當鎖緊鉤爪落入圓環凸輪槽的最低位置時，在扭力彈簧的作用下可實現鎖緊鉤爪與承載溝槽的分離，繼續轉動齒輪時，鎖緊鉤爪到達凸輪槽的最高位置，無法繼續轉動，此時完成鎖緊對接。這樣可以通過轉動一個齒輪來帶動所有鉤爪的鎖緊與張開，從而達到快速對接的目的。同時，在與整流罩對接的分導艙上增加一個承載溝槽，用以實現與鎖緊鉤爪的對接配合，如圖3、4所示。

1.2 設計結果

新型整流罩快速對接結構，通過齒輪的轉動實現整流罩上的鎖緊鉤爪與分導艙的快速對接，與現有的徑向螺栓連接相比，具有以下優點：

1）在復雜性方面，整流罩對心插入分導艙可直接鎖緊，無需徑向定心，降低了對接時所要求的的定位精度;

2）在可靠性方面，鎖緊鉤爪采用傾斜方式進行鎖緊，在軸向鎖緊的同時產生徑向分力，連接穩定、可靠;

3）在時間方面，由于鎖緊鉤爪的接觸面大，能夠承受更多的軸向力，因此鎖緊鉤爪的數量相對較少。現有整流罩連接結構需要擰緊多個螺栓，而鎖緊鉤爪形式的連接結構只需要擰動一個齒輪便可實現所有鉤爪同時完成對接工作，極大地提高了整流罩的對接速度。

2 快速性檢驗

整流罩的軸向對準一般采用大型吊裝設備完成，時間比較固定，且新型整流罩快速連接機構采用了36個鎖緊鉤爪，無需徑向定心。本文的新型對接結構由一個齒輪同時帶動所有鉤爪完成對接，考慮到齒輪傳動效率問題，將其按照擰緊一個螺栓用時的三倍時間進行粗略估算。因此，新型結構所需要的時間分別為

通過與現有整流罩連接結構對比分析，新型連接機構的時間效率η為

綜上所述，新型整流罩快速連接機構大大提高了整流罩連接的速率，減少了地面操作人員的工作量，為導彈的快速維護和裝配提供了技術支持。

3 結構特性分析

由于有效載荷在工作過程中會受發動機工作和外部氣流波動的影響，會使整流罩產生隨機振動，這直接關系到整個對接結構的可靠性與使用壽命。因此，針對整流罩對接結構的振動特點，采用ANSYS動力學分析理論，對連接結構進行模態分析、隨機振動分析和諧響應分析，為整流罩對接結構的振動分析提供一種理論分析方法。

3.1 有限元振動分析原理

根據振動分析理論，一個多自由度系統的二階振動微分方程表達式為

該方程的解為：

3.2 模型的處理

根據新型整流罩快速連接結構的特點，本文選取了單個整流罩連接結構進行有限元分析。將Creo3.0建立的整流罩快速連接結構模型導入ANSYS Workbench 15.0中，對接結構的材料均采用結構鋼，通過劃分網格等得到相關參數，材料參數如表1所示。

利用ANSYS Workbench 15.0軟件，采用四面體線性單元類型，對新型整流罩快速連接結構進行智能網格劃分，生成10047個節點和5227個單元。因扭簧的尺寸和受力較小，對整流罩快速連接結構的影響較小，但很大程度上影響網格的劃分質量，故本文對其做忽略處理。單個整流罩快速連接結構網格劃分如圖5所示。

3.3 模態分析

模態分析是最基本的動力學分析，是計算結構振動特性的基礎，結構振動特性包括固有頻率和振型[11-17]。本文對單個整流罩的對接結構進行了前4階模態分析，獲得其固有頻率和振型圖，從而有效地避免整流罩對接結構產生共振，前四階變形云圖如圖6所示。

由圖6可見，在前4階模態分析中，單個整流罩快速對接結構的固有頻率隨著階數的增加而不斷增大，前兩階的固有頻率相差較小，后兩階相差較大。因此，在整流罩快速連接結構設計中，應避免在2100～2400Hz范圍內工作，以排除共振產生的可能性。前4階的固有頻率如表2所示。

3.4 隨機振動分析

有效載荷每次工作都會在不同的時間產生振動載荷，這種載荷在多情種況下具有不確定性。因此，本文根據整流罩對接結構的隨機振動環境，利用ANSYS Workbench 15.0軟件對單個對接結構進行 3個方向的隨機振動分析，得到其不同方向的位移云圖，如圖7所示。

從圖7中可以看出在X、Y、Z 3個不同方向進行隨機振動分析時，X方向產生的應變最大，應變值為2.2×10-7mm，符合對接結構的強度要求，保證了整流罩快速連接結構的可靠性。不同方向的隨機振動分析結果如表3所示。

3.5 諧響應分析

諧響應分析是分析結構在不同頻率作用下的響應，可有效避免整流罩對接結構產生共振。根據模態分析和隨機振動分析的結果，本文在鎖緊鉤爪3個不同方向施加簡諧力，選定頻率范圍為0～3500Hz，步長為40Hz。? 3個方向的頻率-振幅變化曲線如圖8所示。

4 結 論

針對整流罩快速對接的需求，本文根據整流罩連接結構的特點，設計了一種鎖緊鉤爪形式的新型整流罩對接結構，可以有效地縮短整流罩對接時間。利用有限元分析的方法，對單個整流罩對接結構進行了模態分析、隨機振動分析和諧響應分析的仿真研究，從分析結果中可以看出：在2100-2700Hz頻率范圍時，整流罩連接結構容易產生共振，振幅較大，不能夠滿足振動結構在工作過程中振動環境的要求，應盡量避免其在該范圍內工作。本文為整流罩快速對接結構進一步的試驗研究提供了理論基礎.

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（編輯：溫澤宇）