﻿ 大型回转负载陆上弹射重复使用性能研究
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (3): 88-92 PDF

1. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015;
2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南 郑州 450015;
3. 江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003

Research on reusability of large rotary load on land ejection
WANG Jun1,2, XUE Rui-juan1,2, GUO Jing-bin1,2, ZHANG Jun-miao3, CHENG Dong1,2
1. The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China;
2. The Underwater Intelligent Equipment Laboratory of Henan Province, Zhengzhou 450015, China;
3. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
Abstract: Large rotary load is the main launching body in the land ejection test, the distribution of the impact loads that fall to the drop area after launch will directly influence whether the large rotary load can be reused. In this paper, using MSC.Dytran software, the method of numerical simulation of fluid-solid coupling is used to calculate the rotary load, and to study the influence of rotary load structure and launching attitude on the key parts' structural strength, overall stress and strain of the rotary load when it falls. The result show that the local weak joint structure of rotary load, can fully consume the impact load of it falling to the drop area , and protect the main structure. The strength of the whole structure can be ensured by increasing the density of reinforcement along the direction of stress distribution. The bigger the firing angle is, the less damage the missile suffers when falling. Both the numerical simulation and the actual test results show that the large rotary load can be reused after launching test on land through structural optimization design, which can greatly reduce the test and manufacturing cost.
0 引　言

1 跌落工况及结构简介

 图 1 回转负载结构简图 Fig. 1 Schematic diagram of rotating load structure

2 有限元基本理论 2.1 土力学基本理论

 ${{D}} = {{a}}\sqrt {{{MH}}} \text{。}$ (1)

 $\sqrt {{{{J}}_2}} + {{a}}{{{I}}_1} - {{k}} = 0\text{，}$ (2)
 ${{{I}}_1} = - 3{{p}}\text{，}$ (3)
 ${{a}} = \frac{{\sin {\rm{\varphi }}}}{{\sqrt 3 \sqrt {3 + {\rm{si}}{{\rm{n}}^2}{\rm{\varphi }}} }}\text{，}$ (4)
 ${{k}} = \frac{{\sqrt 3 \cdot {{c}} \cdot \sin {\rm{\varphi }}}}{{\sqrt {3 + {\rm{si}}{{\rm{n}}^2}{\rm{\varphi }}} }}\text{。}$ (5)

 $\emptyset = {{{J}}_2} - \left( {{{{a}}_0} + {{{a}}_1}{{p}} + {{{a}}_2}{{{p}}^2}} \right)\text{，}$ (6)

 ${{{J}}_2} = {{{a}}_0} + {{{a}}_1}{{p}} + {{{a}}_2}{{{p}}^2}\text{。}$ (7)

 ${{{a}}_0} = {{{k}}^2},\ {{{a}}_1} = 6{{ak}},\ {{{a}}_2} = 9{{{a}}^2} \text{。}$ (8)
2.2 流固耦合基本理论

 ${{Ma}} + {{Cv}} + {{Ku}} = {{F}}\text{，}$ (9)

 $\left( \!\!{\begin{array}{*{20}{l}} \!\!{{{{M}}_{{x}}}}&0\!\!\\ \!\!{{{{M}}^{{{fx}}}}}&{{{{M}}_{{f}}}} \!\!\end{array}} \!\!\!\right)\left(\! \!\!{\begin{array}{*{20}{l}} \!\!{{{\ddot U}}}\!\!\\ \!\!{{{\ddot P}}}\!\! \end{array}}\!\!\! \right) \!\!+\!\! \left(\!\!\! {\begin{array}{*{20}{l}} {{{{C}}_{{x}}}}\!\!&0\!\!\\ \!\!0\!\!&\!\!{{{{C}}_{{f}}}} \!\!\end{array}} \!\!\right)\left( \!\!{\begin{array}{*{20}{l}} \!\!{{{\dot U}}}\!\!\\ \!\!{{{\dot P}}}\!\! \end{array}}\!\!\right) \!\!+\! \!\left(\!\! {\begin{array}{*{20}{l}} \!\!\!{{{{K}}_{{x}}}}\!\!\!&\!\!\!{{{{K}}^{{{fx}}}}}\!\!\\ \!0\!\!&{{K}}\!\!\! \end{array}} \!\!\!\right) \!\!=\!\! \left(\!\!\! {\begin{array}{*{20}{l}} \!\!{{{{F}}_{{x}}}}\!\!\\ \!\!0\!\! \end{array}} \right)\text{。}$ (10)

3 应力分布仿真计算

 图 2 应力分布计算模型 Fig. 2 Stress distribution

 图 3 尾段应力分布 Fig. 3 Stress distribution at the end

 图 4 主体段应力分布 Fig. 4 Stress distribution calculation model in the main section
4 结构优化

4.1 结构加强优化设计

 图 5 加强筋模型 Fig. 5 Stiffener model

4.2 结构保护优化设计

5 跌落过程仿真分析 5.1 参数定义

1）落地区模型定义

2）回转负载模型定义

 图 6 回转负载有限元模型 Fig. 6 Rotary load finite element model

 图 7 法兰及连接螺栓有限元模型 Fig. 7 Finite element model of flange and connecting bolt

 图 8 整体有限元模型 Fig. 8 Integral finite element model

 图 9 钢材在模型中的应力-应变曲线 Fig. 9 Stress-strain curve of steel in the model

5.2 仿真结果

1）9°弹射角仿真计算结果

 图 10 9°弹射角主体段最大应力-时间曲线 Fig. 10 Stress-strain curve of main section of 9° ejection angle

 图 11 9°发射角回转负载跌落阶段应力云图 Fig. 11 Stress cloud map of the falling phase of rotary load of 9° ejection angle

2）6°弹射角仿真计算结果

 图 12 6°弹射角主体段最大应力-时间曲线 Fig. 12 Stress-strain curve of main section of 6° ejection angle

 图 13 6°弹射角回转负载跌落阶段应力云图 Fig. 13 Stress cloud map of the falling phase of rotary load of 6° ejection angle

2种计算结果均显示，经过结构优化后，在2种工况下，回转负载跌落后均是尾段受力损坏，螺栓断裂，继而主体段分离倾倒，但主体段整体强度在其许用范围内，并未发生结构损坏，与预期的计算结果相符。

6 结　语

1）通过初步应力跌落应力分布的估算，对回转负载的结构进行优化设计。

2）通过MSC.Dytran软件建立回转负载接触性模型、高速非线性动力模型和瞬态流固耦合模型。

3）模型的建立和优化设计为陆上弹射试验中，回转负载的可重复使用提供一定指导性作用。

4）经过真实的陆上弹射试验验证，仿真计算分析结果与实际状态相符。

5）通过对仿真分析研究表明：

① 按照应力分布状态，整体加强筋分布密度沿负载壁自下而上逐渐减小的趋势布置，该措施在负载跌落时可有效加强主体段结构强度；

② 借助弱连接的方式，可在回转负载跌落时使主体段整体分离，进而在极大程度上减小主体段的受力；

③ 弹射角度对负载跌落时所受到的冲击力具有一定的影响，发射角越大，受力越小。

 [1] 王晓姝, 赵会光. 应用土壤修正模型的返回器着陆冲击响应预示[J]. 航天器工程, 2015, 24(3): 45-50. DOI:10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.008 [2] 张大鹏, 雷永军, 段静波, 等. 土壤参数对返回舱着陆冲击特性的影响分析[J]. 振动与冲击, 2014, 33(7): 120-125. [3] 张相庭. 结构振动学[M]. 上海: 同济大学出版社, 2005 [4] 汪玉, 周璞, 刘东岳. 考虑流固耦合作用的舰船抗冲击仿真计算[J]. 振动与冲击, 2005, 24(1): 73-76. DOI:10.3969/j.issn.1000-3835.2005.01.020 [5] 何涛. 流固耦合数值方法研究概述与浅析[J]. 振动与冲击, 2018, 40(5): 132-136. [6] 吴绍亮, 金咸定. 流固耦合计算方法在船舶局部结构中的应用[J]. 振动与冲击, 2003, 22(4): 26-28. DOI:10.3969/j.issn.1000-3835.2003.04.008 [7] 赵腾伦. ABAQUS6. 6在机械工程中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007. [8] 陈飞宇, 余文辉, 赵世平. 筒口气体射流下航形体出筒流场特性研究[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(5): 132-136. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2018.05.025