0 引　言

火箭海上发射作为一种新型发射模式，能自由选择发射位置，满足各种轨道的发射需求，弥补陆地发射的不足^[1-2]。导流槽是一种能迅速排导火箭高温、高速燃气射流的装置，防止燃气射流回卷对火箭起飞姿态产生扰动，以及热冲击效应对火箭及平台造成损伤^[3]。火箭发射时，钢质导流槽将受到高温灼烧和高速冲击，其结构将会产生应力应变，对平台的安全性产生影响。因此，导流槽结构强度是海上发射平台设计时必须考虑的重要因素。

国内外关于导流槽的研究主要涉及导流槽构型对燃气射流流场影响。周志坛等^[4-5]针对多喷管火箭分析不同导流槽构型所受的冲击特性，研究得出双侧导流槽的导流和引射作用优于单侧导流槽结构。Giordan等^[6]通过仿真分析得出，火箭燃气流场的冲击压力是破坏导流槽结构的主要原因。郑浩^[7]针对海上发射火箭的燃气流特性进行研究，分析了常见的导流槽构型和火箭飞行高度对燃气流排导性能的影响。林瞳^[8]设计了一种适用于海上发射平台的“人”字形导流槽装置，经过CFD优化分析，得到较优的尺寸和角度，可保证燃气流场稳定。张玲等^[9]采用k-ω SST湍流模型对火箭单喷管运载火箭进行研究，得到了沿喷管轴线高度和甲板径向距离的射流速度、温度及压力变化规律，为海上发射平台设计提供数据支持。

上述文献多集中于对陆地发射火箭燃气射流的研究，与海上发射环境不同，其结果参考意义不大，且对于海上发射平台导流槽的结构强度分析较少。本文以海上发射平台的双侧楔型导流槽为研究对象，基于CFD数值计算的燃气射流流场结果，将燃气流载荷转换为结构有限元模型载荷，按照CCS及DNV规范，计算海上发射平台导流槽结构承受冲击时的静态强度及非线性结构失效应变并校核，为海上发射平台工程应用提供参考。

1 计算模型及载荷 1.1 计算模型 1.1.1 有限元模型建立

平台主体结构主要由上层建筑、上平台、6个立柱、6个横撑结构和2个下浮体组成。平台拥有自航能力，可在指定海域的任何地点进行发射任务，能最大限度地发挥运载火箭的能力，具有较强的发射适应性和商业价值。平台整体模型如图1所示。

本文研究对象为半潜式发射平台双侧楔型的导流槽，使用MSC.PATRAN建立静态强度分析有限元模型。传统的一体化式导流槽采用板架结构与平台连接，其结构如图2(a)所示，从导流槽布置形式及连接方式来看，这种型式的导流槽如果出现损坏，则需要对导流槽区域整体结构进行维修。为了减少维修时间，不影响平台使用及发射任务进度，本文设计了一种可与发射平台间拆解的导流槽结构，采用桁架式支柱对导流槽区域结构进行支撑，导流槽两侧、导流槽出口上端结构与平台板之间采用悬接支柱，实现与平台主体间拆解的功能，损坏后只需单独拆解导流槽进行维修，也可更换不同尺寸导流槽，满足不同型号火箭发射需求，可拆解式导流槽结构如图2(b)所示。

在进行非线性结构失效应变评估时，使用Abaqus建立有限元模型，四边形板单元全部采用S4完全积分单元，三角形单元全部采用S3完全积分单元，杆单元采用B31单元，板单元厚度方向赋予5个辛普森积分点，网格尺寸约为500 mm×625 mm，模型如图3所示。

1.1.2 弹塑性材料模型

火箭发射时尾焰的冲击载荷会使钢结构材料超出弹性阶段并进入塑性阶段，应考虑材料的非线性。导流槽区域结构均采用H36高强度钢，根据规范[10]计算出的不同厚度H36钢的真实应力应变曲线如图4所示。规范考虑了应变率大于0.1 s⁻¹时钢材强度的提高和延展性的降低。同时考虑钢材的应变率效应，用材料强度的动力增大系数（Dynamic Increase Factor，DIF）来表示，即材料动态极限强度与静态极限强度之比值，并采用Cowper-Symonds材料模型。

$ \frac{{\sigma }_{\text{dynamic}}}{{\sigma }_{\text{static}}}= 1 + {\left(\frac{\dot{\varepsilon }}{D}\right)}^{1/p}。$

(1)

式中：${\sigma _{{\text{dynamic}}}}$为动态屈服强度；${\sigma _{{\text{static}}}}$为静态屈服强度；$ \dot{\varepsilon} $为应变率，$D$和$p$均为材料常数，对于船用钢材采用参数$ D = 4\ 000\ {{\text{s}}^{ - 1}} $，$p = 5$。

1.2 工况及载荷形式 1.2.1 计算工况

由于火箭在执行发射任务时的海况较好，故不考虑风、浪对发射平台的运动影响。本文采用平台发射工况的载荷条件进行计算。模型的舱壁和底端采用简支边界条件，面内的各个方向位移被限制，保证计算结果的精确。

1.2.2 载荷转换方法

CFD仿真划分出的网格结果如图5(a)所示，共840个网格，结构计算网格如图5(b)所示，导流面X方向为平台右舷方向，Y方向为平台首部方向。尽管2个模型描述同一结构，但两模型节点并不一致，需要将燃气流场仿真计算得出的节点载荷转换成结构有限元模型的相应节点载荷。

由于火箭喷口和导流面铺设有耐高温防护板，防护后流场温度及冲击力载荷根据网格坐标位置导出。本文以温度载荷为例，介绍两模型间的载荷转换。CFD模型和结构模型网格大小虽然不同，但表示的导流面形状、尺寸一致，如图5所示。载荷具体转换方法如下：

1）以O为原点，将两者建立相同的坐标系，则出现如图6所示的CFD模型网格和结构模型网格的位置关系图；

2）对于结构模型的每一个节点，根据其落在CFD模型网格位置，确定其周围的4个CFD载荷点；

3）分别量取结构载荷点E点X、Y方向上的坐标值$X_E$、$Y_E$及周围3个CFD载荷点A、B、D的X、Y方向坐标值$X_A$、$X_B$、$X_D$和$Y_A$、$Y_B$、$Y_D$；

4）读取结构载荷点E点周围3个CFD载荷点A、B、D的温度值$T_A$、$T_B$、$T_D$。

则在X、Y方向上有：

$ \left\{ \begin{gathered} T_{EX} = T_A + \frac{{X_E - X_A}}{{X_B - X_A}}(T_B - T_A)，\\ T_{EY} = T_A + \frac{{Y_E - Y_A}}{{Y_D - Y_A}}(T_D - T_A)。\\ \end{gathered} \right. $

(2)

式中：$ {T_{EX}} $为E点在X方向上的温度；$ {T_{EY}} $为E点在Y方向上的温度。

由于节点X、Y方向的选择对载荷值无影响，权重取为0.5，结合式( 2 )计算得E点的温度$ T_E $为：

$ T_E = \frac{{(T_{EX} + T_{EY})}}{2} 。$

(3)

1.2.3 计算载荷

施加静态载荷时，先将节点编号导出并输入对应载荷值，生成csv文件，利用MSC.PATRAN空间场函数导入计算载荷。静态计算考虑结构在承受极端条件下的温度与冲击组合峰值载荷，导流槽表面温度在时间为1.3 s时出现峰值，冲击力载荷分为X、Y、Z三个方向，Z方向为平台垂向，导流槽X、Y、Z方向冲击力均在1.11 s时出现峰值。

本文利用Abaqus对模型施加时历载荷，温度载荷持续时间为0.2～1.3 s，冲击载荷持续时间为0.0005～1.11 s，因此分析步时长以冲击载荷持续时间为准，取1.11 s。Abaqus为二次开发用户提供了Python脚本接口，可利用Python脚本自动创建幅值，由于Abaqus逆时针存储节点编号，需要对节点重编号实现预定义场的创建，方便幅值与节点对应。

2 结果分析 2.1 静态强度分析 2.1.1 一体化式导流槽结构强度分析

根据规范[11]计算得出的许用等效应力为319 MPa，许用剪切应力为188 MPa。静态计算得到导流槽结构最大等效应力位置在导流槽两侧顶部区域与支撑结构底部两侧，最大值为291 MPa，导流面顶端结构应力较小，中心区域应力较大。应力水平如表1所示，结构均满足规范对许用应力的要求。

2.1.2 可拆解式导流槽结构强度分析

对于可拆解式导流槽模型，应力最大位置在导流槽悬接圆柱与平台连接的位置，最大值为309 MPa，导流面中心应力水平较大，应力水平如表2所示，结构均满足规范对许用应力的要求。

与一体化式导流槽模型应力水平相比，可拆解式导流槽整体区域的最大合成应力增加了6.2%，导流面的最大应力值增加了24.6%，但仍在规范规定的许用应力衡准范围内，故该设计方案可行。

2.2 非线性结构强度分析 2.2.1 一体化式导流槽非线性结构强度分析

非线性结构失效应变衡准根据规范[10]计算得出，临界失效应变为4.33×10⁻²。数值前正号表示构件处于拉伸状态，负号表示构件处于压缩状态，评估结果如表3所示。在温度与冲击载荷作用下，一体化式导流槽结构的最大塑性应变位置在导流面下方的支撑结构的圆形开孔处，最大塑性应变值为1.61×10⁻³。

2.2.2 可拆解式导流槽非线性结构强度分析

评估结果如表4所示，整个可拆解式导流槽区域的最大塑性应变位置在导流面下方支撑结构的圆形开孔处，最大塑性应变值为1.76×10⁻³。

与一体化式导流槽模型相比，可拆解式导流槽结构最大合成应力增加了13.3%，最大塑性应变增加了8.8%。

3 结　语

本文以海上发射平台双侧楔形导流槽为研究对象，利用CFD仿真网格与结构有限元仿真网格的位置关系，提出一种有关节点位置的载荷转换方法，计算火箭高温高速燃气射流的温度及冲击载荷对一体化式导流槽结构的影响。在此基础上，设计了方便与平台主体拆解的导流槽结构并进行结构强度计算。计算结果表明，一体化式与可拆解式导流槽结构强度均满足规范要求，一体化式导流槽最大应力在导流面与两侧结构连接处，最大应力值为304 MPa，最大塑性应变位置在导流面下方支撑结构的圆形开孔处，最大塑性应变值为1.613×10⁻³。可拆解式导流槽支撑区域最大应力出现在导流面与两侧结构连接处，最大应力值为321 MPa，最大塑性应变位置在导流面下方支撑结构的圆形开孔处，最大塑性应变值为1.756×10⁻³。