導彈垂直補給水平著艦沖擊振動有限元分析

任愛娣，肖 肯，何學軍，余 鵬

(海軍工程大學勤務學院，天津300450)

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

沖擊振動廣泛存在于汽車、航空航天、軌道交通以及機械制造等多個領域。徐振欽等［1］研究了發射裝置沖擊振動的液壓系統變阻尼控制，提高了多管火箭武器發射頻率的抗沖擊性能。高偉等［2］介紹了進行基于汽車振動的模態試驗時應遵循的模態試驗理論、模態試驗方法及確保測試精度的相關措施。樸明偉等［3］在對車輛振動舒適性進行試驗和仿真分析的基礎上，以拖車為對象，研究空簧懸架對車輛垂向振動舒適性和地板振動的影響。本文針對某型導彈垂直補給貨物水平著艦的具體情況，對補給過程中的沖擊振動進行分析，得到振動規律，對后續減振研究提供理論依據。

1 導彈垂直補給設備有限元分析模型

在建立導彈垂直補給設備有限元模型時，既要如實地反映設備實際結構的重要特性，也要采用盡量少的單元和簡單的單元形態，以保證得到較高的計算精度并縮小計算規模。導彈垂直補給設備是由多個構件組合而成的實體，成型工藝較為復雜，選擇合理的模型是關鍵的一步。在使用ANSYS軟件對導彈垂直補給設備進行有限元分析前，先對實體模型進行簡化。

1.1 研究對象實體模型

導彈垂直補給設備模型如圖1所示，主要材料為復合大板，主要由頂板、前板、后板、中板、左右側板以及底板構成，與底板連接有3根橫梁，方便船上導彈輸轉車進行轉輸。

圖1 導彈垂直補給設備簡化模型

1.2 導彈垂直補給設備復合大板模型簡化

導彈垂直補給設備是以復合板為主體的結構材料，減振措施是在導彈指定位置加裝橡膠墊。根據復合板的具體結構和材料組成，考慮到作為一個整體的復合大板在補給時主要承受沖擊振動［4］，先求出復合大板整體沒有橡膠墊的應力應變，與墊有橡膠墊時的應力應變相比較，進而得出橡膠墊的減振效果。

復合大板是導彈垂直補給設備的主體材料，以鋁合金板為內外蒙皮，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，將內外蒙皮聯結成一體，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］。

該補給設備底板骨架的材料是鋼Q235，其主要參數: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合大板的基本結構參數:蒙皮選用鋁合金2A12，厚度d1=1.5 mm，且內外蒙皮厚度相等，蒙皮的彈性模量 E2=7 ×104MPa，泊松比 μ2=0.3，密度ρ2=2.7×103kg/m3;芯層材料是硬質聚氨酯泡沫材料，厚度d2=50 mm。6塊大板結構相同，復合大板內不設加強梁，芯層材料彈性模量E3=10 MPa，泊松比 μ3=0.3，密度 ρ3=60 kg/m3［6］。

依據經典層合理論，作以下假設:

(1)鋁板和聚氨酯泡沫之間黏結牢固，變形前后，層間不產生滑移;

(2)整個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力很小，可以忽略不計，并近似地認為各層處于平面應力狀態。

1.3 導彈垂直補給設備主體模型簡化

建立導彈垂直補給設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體或實際構件，以達到精簡結構的目的。使用UG軟件，可快捷而直觀地完成模型的建立，使整個建模過程趨于簡單化，節省建模的時間和步驟。

導彈垂直補給設備是6塊大板組成的六面立方體，整體結構是由角形件和角件組成(如圖2所示)。垂直補給設備底部還設有3根橫梁。在簡化導彈垂直補給設備模型時，可作下列假設:

(1)導彈垂直補給設備大板與大板之間以及大板與角形件之間均緊密接觸，變形前后無相對滑動;

(2)垂直補給設備殼頂變形前后，均不與內部導彈發生接觸，即內裝導彈與殼頂之間沒有相互作用力。

圖2 復合大板的梁和角形件的簡化

基于上述假設，可將導彈垂直補給設備模型簡化成一個封閉的殼體、3個橫梁和2枚導彈及4個適配器。再假設導彈垂直補給設備殼體與橫梁緊密結合，微小變形前后，二者均無相對滑動或斷裂，故可將模型建立在同一個零件圖中，即將二者簡化為一個整體。最終模型如圖1所示。

橡膠墊加裝于導彈與補給設備底板之間，橡膠阻尼系數取0.1～0.15。橫梁等間距分布于殼體底部，設備下落接觸甲板時，會在導彈與適配器及橡膠墊接觸處產生應力，應力的大小表示接觸時振動的強弱。橫梁為工字形，材料選用聚氨酯泡沫材料的夾心復合板。

1.4 有限元網格劃分

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

圖3 導彈垂直補給設備模型網格劃分

2 基于ANSYS的導彈垂直補給振動分析

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

通過ANSYS軟件進行分析計算，可得到無橡膠墊情況和有橡膠墊情況下的導彈殼體應力計算結果圖(如圖4(a)、(b)所示)。由圖4可知，導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 導彈殼體應力分布

經過計算得出導彈垂直補給設備不同高度下落情況下的應力和應變情況(見表1)。無橡膠墊情況與有橡膠墊情況最大應力對比如圖5所示。由表1中的最大應力一欄可知，導彈殼體的最大應力隨著距離甲板高度的增加而增大。由圖5可知，補給時下落的距離會對導彈殼體產生影響，加裝橡膠墊會使導彈殼體的最大應力大幅減小，所以，在導彈垂直補給設備內采取減振措施是非常有必要的。

表1 3種高度下導彈殼體最大應力和應變

圖5 有、無橡膠墊情況最大應力對比

3 結語

通過建立導彈垂直補給設備有限元分析模型，將模型簡化并進行仿真計算分析，可知導彈殼體的最大應力隨著距離甲板高度的增加而增大，加裝橡膠墊會使導彈殼體的最大應力大幅減小。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彈垂直補給水平著艦沖擊振動對導彈的影響，使導彈補給更加安全、可靠。

［1］ 徐振欽，馮勇，于存貴.發射裝置沖擊振動的液壓系統變阻尼控制［J］.機床與液壓，2009，37(10):106 －109.

［2］ 高偉，柴光遠.基于汽車振動的模態試驗方法探究與應用［J］.組合機床與自動化加工技術，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舒適性對比研究［J］.中國鐵道科學，2012，33(1):71－77.

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

［5］ 王良模，吳長風，王晨至.特種車輛方艙結構的有限元分析［J］.南京理工大學學報，2008，32(6):707 －709.

［6］ 劉亞超，宣兆龍，樂惠寧，等.導彈集裝單元儲存靜力學有限元分析［J］.軍械工程學院學報，2011，23(6):39 －42.