某發(fā)射裝置導軌振動疲勞壽命預估

劉萬遠, 張紅波

(1.中國空空導彈研究院， 河南 洛陽　471009; 2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室， 河南 洛陽　471009)

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某發(fā)射裝置導軌振動疲勞壽命預估

劉萬遠1, 張紅波2

(1.中國空空導彈研究院， 河南 洛陽471009; 2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室， 河南 洛陽471009)

導軌是軌式發(fā)射裝置的重要承力部件,與導彈的安全掛載及發(fā)射密切相關,為了確保在全壽命周期的可靠工作,必須確定其振動疲勞壽命。研究了基于功率譜密度的頻域分析方法的基本理論,通過物理仿真與理論計算相結合的方法得出導軌振動疲勞壽命,計算結果完全滿足試驗規(guī)定值,驗證了導軌設計的合理性。

疲勞壽命;隨機振動;發(fā)射裝置;導軌

0　引　　言

發(fā)射裝置是飛機武器發(fā)射系統(tǒng)的一個關鍵成品， 保證了導彈的安全掛載及發(fā)射， 目前大多數發(fā)射裝置都采用導軌式[1-2]， 而導軌是發(fā)射裝置與導彈連接的紐帶， 是發(fā)射裝置的主要承力部件。 導軌隨發(fā)射裝置在掛飛過程中將遭受復雜的環(huán)境條件[3-4]， 其中隨機振動載荷嚴重影響結構的疲勞強度， 會引起局部出現裂紋或斷裂。

隨機載荷疲勞壽命分析方法主要有兩種： 一種是基于統(tǒng)計計數的時域分析方法， 另一種是基于功率譜密度的頻域分析方法。 時域法能較準確地得到隨機振動載荷造成的累積損傷， 但需要很長的記錄信號和非常大的工作量， 有限元分析中難以實現[5-6]。 頻域法是通過結構危險點的應力功率譜密度， 用統(tǒng)計原理獲得相應功率譜的相關統(tǒng)計參數， 結合應力幅值的概率密度函數， 選取適用的損傷累積準則及破壞判據， 進行疲勞壽命預估[7-9]。 該方法計算簡單、 不需要循環(huán)計數。 因此， 本文選擇頻域分析方法， 以某型發(fā)射裝置作為分析對象， 對其導軌振動疲勞壽命進行了估計。

1　頻域隨機振動分析的理論

根據Steinberg提出的三帶寬理論， 結構在隨機荷載作用下的響應是基于高斯分布的， 可將應力水平劃分為三個區(qū)間： 1σ應力區(qū)間、 2σ應力區(qū)間和3σ應力區(qū)間， 具體情況見表1。 該方法的前提是大于3σ的應力僅發(fā)生在0.27%的時間內， 并假定大于3σ的應力不造成任何損傷[10-11]。

表1　基于高斯分布的三區(qū)間法

Von Mises應力的統(tǒng)計平均頻率f0(響應量以正斜率穿越均值的頻率)如下：

(1)

式中：f為頻率；W(f)為應力功率譜密度函數。

在時間t內， 結構關鍵部位三個應力區(qū)間內的應力循環(huán)次數為

ni=p(i)f0t

(2)

式中：p(i)為1σ， 2σ， 3σ對應的概率。

指定條件下產生疲勞破壞需要的應力循環(huán)次數為

(3)

式(3)為在對數坐標中確定的一條斜率為b的S-N曲線。 若已知N0，S0及b， 就可以計算出在Si應力循環(huán)下產生疲勞破壞需要的應力循環(huán)次數Ni。

疲勞壽命估算需要結合一定的累積損傷準則， 對在某種載荷下結構的損傷狀態(tài)進行評估， 常見的疲勞累積損傷理論有： 線性疲勞累積損傷理論、 雙線性疲勞累積損傷理論、 非線性疲勞累積損傷理論以及概率累積損傷理論等。 其中以線性疲勞累積損傷理論——Miner線性累積損傷準則應用最為廣泛[12-13]。 Miner準則假定試件受到的總損傷量為

(4)

該準則假定， 試件在總損傷量D=1時發(fā)生疲勞破壞， 據此可以計算出振動疲勞壽命。

2　仿真模型

發(fā)射裝置在掛飛過程中分為空載和掛彈兩種情況， 其中導軌在掛彈過程中承受的載荷會更加嚴酷， 因此本文選擇掛彈情況進行仿真， 以確保其疲勞壽命有較大的裕度。 發(fā)射裝置由整流裝置、 殼體組件、 插拔機構、 鎖制器等多種部件組成， 本文仿真關注的對象是導軌， 模型簡化后只保留了殼體和導軌， 其他部分采用分布質量和集中質量代替， 導彈模型由殼體和集中質量組成。 根據實際的重量重心轉動慣量等對模型進行了調整， 導彈與發(fā)射裝置之間采用線性綁定約束， 集中質量采用MPC約束方式。 所建立的模型如圖1所示。

圖1仿真物理模型

3　輸入條件

發(fā)射裝置殼體采用LC9， 導軌采用15-5PH， 其材料屬性如表2所示。

表2　材料屬性表

發(fā)射裝置采用兩個螺栓與飛機掛梁進行連接， 仿真中將兩個螺栓孔固定約束， 并作為隨機振動過程中激勵的施加部位。 隨機振動試驗譜值如圖2所示， 規(guī)定振動時間為80 h。

圖2發(fā)射裝置隨機振動試驗譜

4　仿真結果

通過對發(fā)射裝置兩個螺栓孔位置施加隨機振動試驗譜進行隨機振動仿真， 計算顯示最大應力出現在導彈前吊掛對應的導軌位置， 其米塞斯均方根值應力分布云圖如圖3所示。

圖3局部導軌米塞斯應力云圖

由圖3可以看出最大應力出現在局部導軌外圓角位置， 米塞斯均方根值應力為133 MPa。 由于該型導軌發(fā)射裝置采用“TUT”形式懸掛導彈， 因此前吊掛對應導軌的最大應力會出現在導軌內側， 這與仿真結果相符合。 在此情況下的1σ應力、 2σ應力和3σ應力分別為133 MPa， 266 MPa和399 MPa， 均遠小于材料的強度極限1 225 MPa， 可以判斷導軌即使會產生破壞也是由于疲勞而引起的[14-15]。

取導軌上米塞斯應力最大位置作為疲勞壽命分析的危險部位， 其米塞斯應力功率譜密度曲線如圖4所示。

圖4最大應力位置米塞斯應力功率譜密度曲線

根據式(1)可得平均振動頻次為365 Hz， 代入式(2)可以計算出每小時結構臨界部位三個應力區(qū)間內的應力循環(huán)次數分別為8.97×105， 3.56×105和5.69×104。

根據S-N疲勞曲線和式(2)， 計算三個應力區(qū)間內發(fā)生疲勞破壞所需的應力循環(huán)次數Ni。 其中，N0=150 000為參考點對應的疲勞循環(huán)次數；S0=576 MPa為參考點的疲勞應力；b=17.66為材料指數， 通過材料的高周疲勞數據并擬合曲線得到， 由此計算出三個應力區(qū)間內發(fā)生疲勞破壞所需的應力循環(huán)次數分別為2.62×1016, 1.27×1011和9.82×107。 則每小時振動疲勞損傷量D可由式(5)計算得出:

5.882×10-4

(5)

根據Miner線性疲勞累計損傷理論， 試件在總損傷量D=1時發(fā)生疲勞破壞， 計算得出發(fā)射裝置的耐久振動疲勞壽命為1 717 h。 疲勞分析的分散系數一般取4～6， 計算出導軌的疲勞壽命為286～429 h， 滿足隨機振動試驗規(guī)定的80 h。

5　結　　論

研究了計算隨機振動載荷疲勞壽命頻域分析方法的一般流程， 利用發(fā)射裝置導軌作為分析對象， 對其隨機振動疲勞壽命進行了計算分析， 結果遠遠滿足試驗規(guī)定的時間， 后期開展的一系列環(huán)境試驗也證實了計算的合理性， 該方法可以適用于導彈、 發(fā)射裝置等產品的隨機振動疲勞壽命預先研究。

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Vibration Fatigue Life Prediction on Rails in Launcher

Liu Wanyuan1， Zhang Hongbo2

(1. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;2. Military Respresentative office in China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Rail is one of the important load-bearing components of rail launcher, it is closely related with the security mount and launch of missile. In order to ensure the rail can work reliably in whole life cycle, its vibration fatigue life must be considered. The fundamental theory of frequency domain method based on power spectra density is researched, and the vibration fatigue life of rails is obtained by combining physical simulation and theoretical calculation. The result fully meets the test requirments and verifies the rationality of the design for rails.

fatigue life; random vibration; launcher; rails

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.017

2015-09-16

劉萬遠(1983-)， 男， 河南唐河人， 工程師， 碩士， 研究方向為結構動力學設計與仿真。

TJ768;V216.2+1

A

1673-5048(2016)03-0075-03