火箭發射架結構強度與模態仿真分析

張樂，許宏濤

（中國航天科技集團有限公司第四研究院第四十一研究所，陜西 西安 710025）

中國未來將進行深空探測，探測太陽系、火星、小行星等，探尋地外生命信息，其中火星是中國計劃探測的第一顆行星。針對火星的探測任務，主要包括對火箭大氣環境探測、火星的地形、地貌特征探測，火星表面物質和地質特征探測。

火星探測工程需要突破一系列關鍵技術，這些關鍵技術的成熟度與可靠性關系到整個項目的成敗，因此我國計劃采用對此類關鍵技術在地球臨近空間進行試驗驗證。探空火箭是在近地空間進行科學試驗的火箭，其研制周期短，滿足火星探測計劃的任務窗口，發射較為方便，經濟性也較好，成為了此類驗證試驗的首選。探空火箭通常由一些可移動式發射架進行發射，航天四院為火星探測任驗證試驗研制的發射架周期極短，研制壓力較大。為減少樣機制作成本，縮短產品實驗周期，加快新品研發進程，本文對其發射架結構進行結構強度和模態分析，以驗證其各項結構性能是否滿足任務要求。通過分析，本發射架的結構強度和頻率滿足要求。

1 發射架組成和工作原理

運載器發射系統分為機械裝置、控制組件（包含控制設備和定位定向設備）。發射系統主要由導軌、過渡架、起豎臂、擋箭裝置、起豎裝置、回轉支撐、回轉驅動、機械裝置基座、調平系統、伺服驅動柜、伺服控制箱、導流裝置、插拔機構等組成，發射系統組成圖如圖1所示。它能夠自主定位定向，電動伺服起豎回轉，并執行規定瞄準角度下的發射任務；同時可以通過將發射系統基座去掉，安裝在車輛底盤上，附加以供電設備實現車載運輸發射。

圖1 發射架組成圖

2 模型前處理

2.1 有限元模型

將發射架結構幾何模型導入ANSYS中，對模型進行前處理，去除不必要驅動柜、工具箱等結構件，簡化絲杠等結構件。隨后對結構件賦予材料特性，其中支耳、過渡架、起豎臂、回轉支撐、和基座等為Q345鋼材，導軌為45#鋼材。材料參數統一為彈性模量為206GPa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3。對結構件采用二階四面體實體單元進行網格劃分，關鍵部位進行加密處理，網格寬高比大部分區域為5，支耳，旋轉支撐等寬高比約為2，在權衡計算效率與精度利弊后選擇采用此網格設置既可以達到收斂又能較快完成計算，最終網格數為552481個，節點數為1044136個，具體如圖2所述。

圖2 發射架網格圖

2.2 載荷、約束與接觸

發射系統結構件主要受到火箭的重力和裝置自身的重力載荷，火箭重力添加通過定義好的坐標系（火箭質心位置）位置，使用“遠程載荷”添加到導軌4個缺口處（火箭4個滑塊處），結構件自身重力通過重力載荷添加。

在軟件中設置裝置4個調平裝置在垂直于底面方向位移為零，設置4個支腿垂直于底面方向位移為零，為了消除裝置的剛體位移（有限元分析中必須消除剛體位移）在裝置設置支腿的一個尖點固定約束，依據圣維南原理，該固定約束對仿真結果影響可忽略。

機械裝置結構件使用焊接方式將板材和管材焊接在一起，該分析不考慮焊接強度問題，因此焊接接觸在分析中全部設置結合，因此零件之間的接觸忽略。銷軸連接定義為銷釘接頭連接；采用無平移，旋轉銷釘接頭。

2.3 計算工況

該型探空火箭發射時，發射裝置俯仰角為80°，方位角為0°，火箭重力一部分加載到擋箭板部件，一部分垂直于軌道缺口處，本文對此種工況下的結構強度和模態進行仿真分析。

3 結構強度分析

對上述有限元模型進行計算，所得發射裝置應力云圖見圖3，最大應力值約150MPa，位于擋箭板與導軌連接處，位移云圖如圖4所示，擋箭板處的變形約2.5mm，導軌頂端是變形累加的結果，約為10mm。通過分析可知，發射系統結構件安全裕度較大，變形也滿足總體指標要求，結構強度滿足要求。

圖3 發射架應力云圖

圖4 發射架位移云圖

4 結構模態分析

對上述有限元模型進行模態分析，分析的終止條件為前4階模態或線性動力無規則振動掃描2000HZ的振動頻率。前4階模態的計算結果圖見圖5。

圖5 前4階模態計算結果（從左至右分別為1至4階模態）

從圖中可以看到，前4階頻率分別為5.76Hz，6.05Hz，19.45Hz和20.78Hz，1階模態主要是橫向擺動，2階模態主要是俯仰方位擺動，3階模態為橫向彎曲，4階模態為俯仰方向彎曲。發射架模態與火箭的激勵差別較大，不會產生共振。

5 結語

本文采用有限元仿真分析對某型探空火箭發射架進行結構強度和模態分析，分析結果表明該重構強度和剛度滿足要求，固有頻率與火箭激勵有一定差別，結構滿足火箭發射要求。