仿真技術(shù)在深彈發(fā)射裝置環(huán)境適應(yīng)性分析中的應(yīng)用

呂學(xué)能，祝凌云，徐巨華

(杭州航海儀器有限公司，浙江杭州310024)

0 前言

裝備的環(huán)境適應(yīng)性關(guān)系到裝備的作戰(zhàn)效能、使用可靠性和持續(xù)作戰(zhàn)能力，是裝備的重要技術(shù)指標(biāo)。深彈發(fā)射裝置(以下簡(jiǎn)稱發(fā)射裝置)通常安裝在甲板部位，海洋環(huán)境下的高、低溫，濕熱，淋雨會(huì)影響發(fā)射裝置的機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能，加速設(shè)備老化；武器發(fā)射的沖擊和艦船高海況搖擺引起的靜應(yīng)力、動(dòng)態(tài)力都有可能引起發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)破壞。因此，發(fā)射裝置研制過(guò)程中需要完成一系列的強(qiáng)度試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)的考核。與物理試驗(yàn)相比，仿真技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在研制初期就采用仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，可有效縮短研制周期，優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免研制過(guò)程的反復(fù)。

1 裝備的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)

環(huán)境適應(yīng)性是指裝備、分系統(tǒng)或部件在預(yù)期環(huán)境中實(shí)現(xiàn)其全套預(yù)定功能的能力[1]。根據(jù)艦船環(huán)境條件要求，機(jī)械環(huán)境影響主要有：振動(dòng)、沖擊、空中核爆炸沖擊波、傾斜與搖擺[2]。就發(fā)射裝置而言，機(jī)械環(huán)境主要影響裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)這些影響因素的考核包括試驗(yàn)考核和仿真分析。

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對(duì)裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算已不再局限于數(shù)值計(jì)算，而發(fā)展成計(jì)算機(jī)仿真[3]，通過(guò)仿真技術(shù)可提前發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，了解未知風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。作為傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的補(bǔ)充，國(guó)外早已將仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在武器裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估中[4-5]。例如仿真設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)作為美國(guó)國(guó)防部的指導(dǎo)性要求，廣泛應(yīng)用于裝備的研制過(guò)程中，包括全數(shù)字化仿真、半數(shù)字化仿真、模擬試驗(yàn)仿真已經(jīng)成為不同研制階段中評(píng)價(jià)裝備環(huán)境適應(yīng)性、預(yù)測(cè)服役壽命時(shí)必須進(jìn)行的輔助設(shè)計(jì)手段[6]。根據(jù)軍用設(shè)備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法及相關(guān)要求，發(fā)射裝置一般要參加高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、噴淋試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)，這類試驗(yàn)都是在樣機(jī)試制完成后進(jìn)行的，難以在研制初期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的不足。尤其是沖擊試驗(yàn)，短時(shí)間內(nèi)在裝備上作用高量級(jí)輸入力脈沖，對(duì)裝備損壞較大，一旦試驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題將嚴(yán)重影響研制進(jìn)度。以下就以沖擊響應(yīng)為例介紹其仿真技術(shù)在發(fā)射裝置環(huán)境適應(yīng)性分析中的應(yīng)用。

2 發(fā)射裝置接線箱沖擊模型

2.1 接線箱3D模型

仿真分析工作首先應(yīng)該根據(jù)分析需求定義產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)[7]，發(fā)射裝置左、右兩側(cè)都裝有接線箱，根據(jù)安裝位置所承受沖擊力學(xué)分析，建立受力模型如圖1所示。與其他部件相比，接線箱屬于電氣設(shè)備，受沖擊影響較大。初始設(shè)計(jì)為減小箱體重量，材料采用鋁合金，箱體壁厚為3 mm。接線箱采用SolidWorks建模，要知道接線箱受沖擊時(shí)的峰值響應(yīng)，可使用Simulation下的響應(yīng)波譜分析。

2.2 沖擊機(jī)理

沖擊是一種很復(fù)雜的物理運(yùn)動(dòng)，與隨機(jī)振動(dòng)一樣，它具有連續(xù)的頻譜，但又是一個(gè)瞬變過(guò)程，不具備穩(wěn)態(tài)隨機(jī)的條件。受沖擊后，裝備機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要發(fā)生突變并將產(chǎn)生瞬間沖擊響應(yīng)，響應(yīng)具有以下特征：高頻振蕩、短持續(xù)時(shí)間、明顯的初始上升時(shí)間和高量級(jí)的正負(fù)峰值。裝備受沖擊(瞬態(tài)激勵(lì))后所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)的大小代表了產(chǎn)品實(shí)際所受到的沖擊強(qiáng)度。若產(chǎn)品的瞬時(shí)響應(yīng)幅值超過(guò)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，則將導(dǎo)致產(chǎn)品破損[8]。

2.3 響應(yīng)波譜分析

響應(yīng)波譜分析又名沖擊譜分析，是一種近似的方法用于預(yù)測(cè)受到基礎(chǔ)激勵(lì)(強(qiáng)迫振動(dòng))的結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng)的分析方法。取代耗時(shí)的時(shí)間域瞬態(tài)分析，可以采用響應(yīng)譜分析快速地近似分析結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)(如動(dòng)應(yīng)力等)。響應(yīng)譜分析可以作為一種設(shè)計(jì)工具。它用于計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)多頻信息瞬態(tài)激勵(lì)的響應(yīng)，這些激勵(lì)可能來(lái)源于地震、飛行噪聲/飛行過(guò)程、導(dǎo)彈發(fā)射等，頻譜是載荷時(shí)間歷程在頻率域上的表示法，可以使用響應(yīng)波譜分析而非時(shí)間歷史分析，來(lái)估測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)載荷或與時(shí)間有關(guān)的載荷環(huán)境(例如地震、風(fēng)載荷、海浪載荷、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng))的響應(yīng)。

響應(yīng)波譜是自然頻率ωi或振動(dòng)周期Ti的函數(shù)，它標(biāo)繪了特定基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的單一自由率系統(tǒng)(SDOF)對(duì)不同自然頻率振動(dòng)器的峰值響應(yīng)。每個(gè)響應(yīng)波譜曲線相當(dāng)于特定的模態(tài)阻尼比率ξi。相應(yīng)波譜中標(biāo)繪的典型值為

最大位移Sd(ωi，ξi)；

最大虛擬速度Sv(ωi，ξi)＝ωiSd；

特定阻尼比率ξi的相對(duì)位移響應(yīng)波譜及響應(yīng)曲線如圖2所示。

SDn＝max｜yn(t)｜(n＝1，…，4)，即SDn等于每個(gè)SDOF振蕩器的相對(duì)位移時(shí)間歷史響應(yīng)的最大絕對(duì)值。

分析過(guò)程中先計(jì)算正態(tài)模型，供分離運(yùn)動(dòng)方程式與廣義模態(tài)坐標(biāo)使用。最大模態(tài)響應(yīng)從基準(zhǔn)激發(fā)響應(yīng)波譜中確定，將Sd(ωi，ξi)、Sv(ωi，ξi)、Sa(ωi，ξi)分別設(shè)定為位移、虛擬速度、虛擬加速度的輸入響應(yīng)波譜值。當(dāng)每個(gè)模態(tài)可設(shè)定為SDOF系統(tǒng)時(shí)，就可以從輸入相應(yīng)波譜值中獲取有關(guān)模態(tài)坐標(biāo)的激發(fā)持續(xù)時(shí)間的最大響應(yīng)：

式中：xi，max是模態(tài)相對(duì)位移；是模態(tài)相對(duì)速度；是模態(tài)絕對(duì)加速度；Γi是每個(gè)模態(tài)i的模態(tài)參與因子，是本征向量i的移項(xiàng)；{Ib}是將基體運(yùn)動(dòng)與剛性體結(jié)構(gòu)位移相關(guān)的感應(yīng)向量。對(duì)于每種模態(tài)，結(jié)構(gòu)相對(duì)于模態(tài)坐標(biāo)的最大響應(yīng)是

3 仿真分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)接線箱模型定義線性動(dòng)力-響應(yīng)波譜分析算例，分析共運(yùn)行65個(gè)頻率數(shù)，X、Y、Z3個(gè)方向的質(zhì)量參與總和值均在0.8以上，如圖3所示。在Z方向加載某典型沖擊大小為1 g，如圖4所示為頻率曲線。

運(yùn)行后應(yīng)力分布如圖5所示。最大應(yīng)力分布在接線柱的支撐立柱邊緣，局部存在應(yīng)力集中，最大值約614 MPa，已超過(guò)一般鋁合金的屈服強(qiáng)度。

通過(guò)仿真及時(shí)發(fā)現(xiàn)了接線箱工藝細(xì)節(jié)處理不到位導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足，對(duì)應(yīng)力集中處進(jìn)行R5 mm圓弧過(guò)渡，如圖6所示，重新進(jìn)行分析，得到圖7所示應(yīng)力分布，最大應(yīng)力降到約484 MPa。后期還能結(jié)合使用特點(diǎn)對(duì)發(fā)射箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的更改，使其設(shè)計(jì)趨于優(yōu)化。

由此可見(jiàn)，仿真分析對(duì)于發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)是非常有效的。仿真技術(shù)可以模擬裝備在使用過(guò)程中可能遇到的各種環(huán)境，突破了環(huán)境試驗(yàn)受限于試驗(yàn)樣機(jī)和特定環(huán)境條件的限制，并且可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到仿真結(jié)果，對(duì)裝備模型進(jìn)行及時(shí)修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

仿真技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性傳統(tǒng)研究方法的一種補(bǔ)充，它可以利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，根據(jù)要求的環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行仿真分析，從而提前得知裝備的環(huán)境失效模式，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。目前，該發(fā)射裝置研制還處于樣機(jī)階段，仿真技術(shù)在發(fā)射裝置環(huán)境適應(yīng)性分析中的應(yīng)用還不夠深入，仿真結(jié)果還需要通過(guò)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和積累以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)發(fā)揮的作用將會(huì)越來(lái)越顯著。