基于FTA的發射平臺擺桿桁架結構分析

任曉偉，趙勁彪， 潘玉竹， 黎定仕， 馮 超，王明華

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

隨著國內新一代運載火箭的發展，新一代發射平臺應運而生。擺桿作為發射平臺的關鍵設備，主要用于鋪設各種加注、供氣、電纜、空調等管線路，在運輸過程中擺桿保持各種管路、連接器、電纜的狀態不變，起飛前帶動脫落的連接器、管路、接頭等擺開到安全范圍之內[1]。關于擺桿設備，工程設計人員開展了一系列研究工作，王婷等[2]針對火箭擺桿使用時的工作狀態，分析模擬擺桿加載試驗的難點，提出載荷的鋪設、安裝和試驗改進方案，并設計出工藝裝備。趙海等[3]對擺桿機構風載模擬試驗進行初步研究，提出一種模擬擺桿機構實際風載的試驗方法。丁保民等[4]描述了一種高可靠擺桿遠程控制系統的組成、擺桿控制方法、遠程冗余控制原理，以及擺桿控制通路的實現方式。

但是目前鮮有學者對擺桿桁架結構進行研究分析，本文結合工程實例，建立擺桿桁架失效FTA，梳理其發生失效底事件，并利用有限元計算手段，逐一分析擺桿桁架失效底事件影響，為擺桿桁架設計優化提供借鑒。

1 FTA分析方法

故障樹分析(FTA)是一種演繹性的失效分析方法，廣泛應用于系統安全性評估工程領域，以揭示系統失效的原因[5]?？梢园l現潛在的故障，揭露設計的薄弱環節，以便改進設計[6]。

故障樹分析步驟主要有[7]：首先廣泛收集并分析有關技術資料；然后選擇頂事件，頂事件是故障樹分析中所關心的結果事件；建樹及其簡化；進行底事件的計算。

2 工程實例

某型擺桿如圖1所示，主要由擺桿桁架、擺桿主軸、驅動組以及拉索組成。

擺桿桁架為擺桿最主要的部件之一，為便于公路運輸，擺桿分為前、后段桁架并由連接叉扣組連接，其中連接叉扣組包括：連接叉扣(雙耳)、連接叉扣(單耳)、銷軸，擺桿上布置吊耳，配套拉索安裝，如圖2～圖4；一般要求其結構安全系數大于2且變形量不大于250 mm；在火箭發射過程中擺桿桁架所承受載荷有：擺桿桁架自重、擺桿上鋪設加注管路載荷、連接器設備載荷、風載以及火箭燃氣流載荷等。在任務過程中，擺桿桁架應保證自身強度不失效且變形量不能過大，避免與其他系統碰撞。因此，擺桿桁架失效形式主要有：擺桿桁架強度失效、擺桿桁架變形量過大。采用FTA方法，對某型擺桿桁架失效原因進行分析，梳理底事件。

圖1 發射平臺擺桿

圖2 擺桿桁架

圖3 吊耳

圖4 連接叉扣組

3 擺桿桁架FTA分析

根據擺桿桁架功能、性能分析，擺桿桁架強度失效故障樹如圖5所示，可知底事件有6項，分別為：前、后桁架強度失效；連接叉扣強度失效；吊耳強度失效；前、后桁架壓桿失穩失效；桁架變形量過大，拉索強度失效。

圖5 擺桿桁架失效故障樹

4 擺桿故障樹底事件計算分析

結合某型擺桿，對5項故障樹底事件進行逐一分析，利用Abaqus建立有限元模型，桁架、主軸采用梁單元建模，拉索采用單向彈簧單元(僅受拉載荷)建模，如圖6所示。施加載荷，包括：連接器設備集中載荷，燃氣流載荷，風載荷，加注管路載荷。其中，需考慮加注管路迎風面積，折合到桁架受載載荷。加注管路與擺桿桁架布置圖如圖7所示。

圖6 擺桿有限元模型

圖7 加注管路鋪設圖

4.1 前、后段桁架強度失效X1

前、后段桁架有限元計算結果，如圖8所示。桁架最大應力S1為133 MPa，桁架材料屈服強度[σs]為：345 MPa，安全系數為：[σs]/S1=2.6，滿足安全系數大于2倍的使用要求。

圖8 桁架應力云圖

4.2 連接叉扣強度失效X2

連接叉扣分為連接叉扣(單耳)、連接叉扣(雙耳)，從桁架計算中提取4處連接叉扣處軸向載荷，作為連接叉扣計算載荷輸入。如圖9所示，軸向最大拉載荷為：74240 N；軸向最大壓載荷為：131900 N。

圖9 連接叉扣區域桁架軸力

4.2.1 連接叉扣(單耳)

利用Ansys Workbench中Bearing Load方法，在軸孔處沿軸向施加余弦載荷，經有限元分析計算，連接叉扣(單耳)如圖10所示。最大拉應力值S2為：142.2 MPa，材料屈服強度[σs]為：345 MPa，安全系數為：[σs]/S2=2.4；最大壓應力值S3為：157.3 MPa，安全系數為：[σs]/S3=2.2。滿足安全系數大于2倍的使用要求。

圖10 連接叉扣(單耳)應力云圖

4.2.2 連接叉扣(雙耳)

連接叉扣(雙耳)應力云圖如圖11所示。最大拉應力值S4為：127.2 MPa，材料屈服強度[σs]為：345 MPa，安全系數為：[σs]/S4=2.7；最大壓應力值S5為：64.3 MPa，安全系數為：[σs]/S5=5.4。滿足安全系數大于2倍的使用要求。

圖11 連接叉扣(雙耳)應力云圖

4.2.3 銷軸

參考《機械設計手冊2卷》[8]，銷軸的剪切應力公式為：

τ=F/2/(πd2/4)

(1)

其中，F為軸向作用力，d為銷軸直徑(Φ40 mm)。

塑性材料剪切應力許用值 [τ]公式為：

[τ]=(0.5～0.7)[σs]

(2)

擺桿桁架銷軸材料 [σs]為：835 MPa，式(2)系數取0.5，則[τ]為：417.5 MPa。

受拉工況計算：F1為軸向受拉力，F1為7.027×104N；數據代入式(1)：τ1=28 MPa。安全系數為：[τ]/τ1=12.32，滿足安全系數大于2倍的使用要求。

受壓工況計算：F2為軸向受壓力，F2為1.319×105N 。數據代入式(1)：τ2=52.5 MPa。安全系數為：[τ]/τ2=7.95；滿足安全系數大于2倍的使用要求。

4.3 吊耳強度失效X3

從桁架計算中提取拉索拉力為：103400 N。建立吊耳、連接軸有限元模型，采用吊耳、連接軸接觸算法，如圖12所示。

圖12 有限元模型圖

有限元計算結果如圖13所示。最大應力S6為：120.4 MPa，材料[σs]為345 MPa，安全系數：[σs]/S6=2.87，滿足安全系數大于2倍的使用要求。

圖13 應力云圖

4.4 前、后桁架壓桿失穩失效X4

利用Abaqus軟件中提供的Lanczos法[9]，計算桁架屈曲失穩。取前4階，如圖14所示。前4階特征值如表1所示，絕對值均大于1，不存在失穩可能，滿足使用要求。

圖14 前4階模態圖

表1 前4階特征值

4.5 桁架變形量過大X5

桁架變形量有限元計算結果，包括綜合變形(U)，X方向(U1)，Y方向(U2)，Z方向(U3)，如圖15所示。各方向最大變形量如表2所示，均小于250 mm，滿足使用要求。

圖15 擺桿桁架變形量

表2 擺桿桁架變形量

4.6 拉索強度失效X6

有限元提取擺桿2根拉索拉力值，如圖16所示。拉索拉力值分別為：59.2 kN、73.7 kN，遠小于拉索破斷力663 kN，滿足使用要求。

圖16 擺桿拉索拉力值

5 結論

本文采用FTA方法，對某型發射平臺擺桿桁架結構進行分析，對桁架失效的原因進行了匯總、歸納，并結合有限元軟件和理論計算對底事件進行分析。針對擺桿桁架結構設計有以下建議：

1)適當增加擺桿桁架橫截矩形面積，可增大抗彎截面模量，提高擺桿抗彎能力。

2)擺桿桁架有限元計算中，如需宏觀檢查整體剛、強度，可采用梁單元建模，減少計算量；如需局部檢查連接結構強度(例如連接銷軸、拉索吊耳等)，可采用實體建模。

3)擺桿桁架腹桁桿方向布置：腹桁桿承壓性能優于承拉。如按本文中擺桿腹桁桿布置形式，腹桁桿受壓，需考核壓桿穩定性，也可將腹桁桿布置成受拉，避免壓桿失穩，但腹桁桿承拉性能差。

4)擺桿桁架由于是長桁架結構，變形量較大，可增加拉索等措施，提高整體剛度，避免因變形量過大影響使用。