0 引　言

箱（筒）式发射技术是当今世界上流行的、先进的发射装置设计技术。因其能够有效地提高导弹武器系统的贮存可靠性，并具有全天候适应能力及战场快速反应能力等优点，被当今各种先进导弹武器系统采用^[1]。以碳纤维为增强体制备的高性能复合材料由于具有高比强度、高比刚度、高比模量，耐疲劳、耐辐射、耐化学腐蚀以及可设计性强等一系列优异性能而被广泛应用于导弹发射筒领域^[2]。

在空间载荷的作用下，复合材料层合板应力呈三维分布，经典层合板理论已经不能精确地对复合材料层合板进行力学分析，需采用复杂的弹性理论和求解高阶偏微分方程组^[3]。因此，在工程实际中，通常采用三维仿真方法进行数值求解。宋云雪等^[4]采用有限元法对复合材料发射筒的刚强度进行了建模，模型中以均布载荷的形式施加燃气流作用力，没有考虑燃气流冲击以及弹－管接触碰撞引起的动态效应，计算结果与实际情况误差较大；刘东等^[5]使用有限元数值仿真方法对某型使用碳纤维复合材料替代高强度铝合金材料的发射筒进行内压工况下结构强度、刚度研究；安庆升等^[6]对复合材料发射筒的吊装进行了仿真及试验，研究结果表明，在满足各项性能要求条件下，碳纤维复合材料筒重量比高强度铝合金筒轻很多。

1 仿真模型 1.1 物理模型

在满足承载要求的前提下，复合材料筒的质量更轻，耐海水腐蚀性能好，但考虑到发射筒上部的接口众多、密封要求高，下部形状复杂、直接承受高温等特点，最终确定主体段采用复合材料，上、下法兰采用铝合金的材料方案，建立物理模型如图1所示。

1.2 材料属性

主体段选用T700/E54碳纤维复合材料，法兰采用ZL205A铝合金，参考相关文献[7－8]，材料性能参数如表1所示。

1.3 网格划分、边界及载荷条件

使用Abaqus/CAE2016软件对三维模型进行结构化网格划分，网格类型为六面体网格，如图2所示，复合材料铺层角度按照±50°/86°/±50°/−86°循环铺设，单层厚度0.25 mm，共计39层，如图3所示。完全约束上法兰圆柱面，同时约束下法兰圆柱面及主体段中间局部圆柱面的径向及周向移动自由度。将上、下法兰与主体段进行Tie绑定，下法兰端面施加如图4所示的水锤动态载荷。

2 计算结果及分析

复合材料的各项异性，导致各层之间的计算结果存在差异，如第1层（50°）、10层（86°）、26层（−50°）、39层（−86°），最大应力出现的时刻不一样，应力值也不一样，最大应力出现在0.294 8 s，第26层，最大Mise应力146 MPa，如图5所示。

各层之间的应变存在差异，如第1层（50°）、10层（86°）、26层（−50°）、39层（−86°），最大应变出现在0.2948 s，第1层，最大应变为3337 με，见图6所示。

各层之间的应力危险点的时域曲线存在一定差异，如第1层（50°）、39层（−86°），但是曲线的基本形态一致，外层应力变化更加平稳一些，如图7所示。

各层之间的应变危险点的时域曲线存在一定差异，如第1层（50°）、39层（−86°），但是曲线的基本形态一致，外层应变变化更加平稳一些，如图8所示。

3 试验验证

对某型复合材料发射筒的部段样机进行性能测试，部段样机太短，螺旋缠绕有限，为确保产品外表面厚度基本一致，造成螺旋向缠绕纤维含量大幅降低，削弱发射筒的承载能力，测得复合材料筒的抗拉极限载荷为472.9 kN，应变测量最大值为2 229 με，如图9所示。

根据部段样机缠绕方式及承受的极限载荷，进行承载计算，结果如图10所示，其最大Mise应力为23.6 MPa，与树脂基体的拉伸强度相当，最大应变2605 με也与测量值基本吻合，复合材料主体段筒与法兰连接处强度较高，未发生破坏，验证了计算的正确性。

4 结　语

本文使用有限元数值仿真方法对某型复合材料发射筒进行水锤动态载荷下结构强度、刚度研究。研究结果表明，主体段采用复合材料，上、下法兰采用铝合金的结构方案，主体段壁厚9.75 mm，在最大9.23×10⁵ N的动态承载的作用下，最大Mise应力146 MPa，最大应变为3337 με，能够满足轻质化筒的承载要求。开展了部段样机的承载试验，与样机的仿真结果吻合，验证了设计结果的正确性，为碳纤维复合材料筒设计提供了支撑。