0 引言
现代战争中,空袭与反空袭作战伴随战争的始终,是影响战争胜负的重要因素。我国幅员辽阔,反空袭作战是防御作战体系建设的重点方向,自行防空武器具有射速高、火力猛、精度好、可反多种目标的优点,是末端近程防空的主力装备[1]。自行防空武器主要由搜跟系统、火力系统,底盘系统等组成,在结构布局上,自行防空武器的雷达/光电轴、身管轴等轴系具有一定的间距尺寸。校轴装备作为自行防空武器的配套装备,用于检测防空武器各轴系间距尺寸与理论设计尺寸的一致性,因此校轴装备的设计优劣与使用性能对防空武器的火力打击精度影响巨大。
某自行防空武器具有轴系繁多、轴系间距尺寸跨距大的特点,现有校轴装备无法满足其校轴需求,故研究设计了一种新型校轴装备。对校轴装备的总体结构构型及相关配置进行简要介绍;通过仿真计算可对结构设计及其力学条件进行分析[2-9],对展开后的校轴装备分别开展重力条件下静力学、风力条件下屈曲仿真分析,对收回状态下的校轴装备开展振动模态分析;结果表明,校轴装备的力学性能达标,使用条件下能保证结构的稳定性。本文中所研制的校轴装备在满足使用性能指标的同时,兼具结构轻量化及使用简便性,开展的设计和仿真工作可为后续防空武器校轴装备的设计提供参考。
1 校轴原理及装备构型
1.1 校轴原理
某自行防空武器具有多个轴系,如身管轴、雷达/光电轴及导弹轴等。随着长时间的使用防空武器会出现磨合消隙、振动偏移等现象,各轴系在高低及方位上的间距尺寸会因此与理论设计值产生偏差,从而影响武器的射击精度。校轴装备作为轴系精度检查装备,具有与防空武器轴系理论间距尺寸完全相同的靶标。校轴时,将防空武器调平并使其身管与校轴装备上身管轴(基准轴系)靶标十字重合,通过其余分系统观察各自轴系靶标十字便可得到防空武器各分系统轴系与理论设计的间距偏差,将该偏差进行修正,便可完成校轴。
1.2 总体结构设计
新型校轴装备主要由主板、支板及连接座等组成,主板是各支板的连接主体,支板用于展示各轴系十字,连接座用于固定校轴装备。支板与主板采用转轴和销轴进行连接,这使得校轴装备具有展开和收回2种状态(如图1所示)。支板可绕转轴进行转动,到位后在销轴的作用下进行固定,所有支板展开并固定好即为校轴装备的工作状态。校轴完成后,支板可收回以节约收纳空间,亦利于改善边缘支板的受力条件。
图1 校轴装备设计图
Fig.1 Design drawing of axis calibration equipment
1.3 主、支板结构设计
主板设计为矩形薄板结构,在不与支板及连接座连接的地方进行大幅镂空设计以减轻校轴装备的整体质量。下方设计为倒三角结构,在减少冗余材料的同时,更方便与连接座的安装。
根据自行防空武器的轴系及其分布特点,校轴装备设计有9个支板。各支板均呈长条薄板状,亦采用大幅镂空设计。支板的轴系十字靶标设计为圆形凹槽结构,将圆形靶标均分为4个半圆,并对相邻半圆涂以不同颜色用来清晰展示各轴系十字。左右外侧及顶部支板通过销轴与转轴连接于相邻支板上,即外围支板可绕内侧支板进行旋转。该设计的缺点在于所有支板仅靠内部支板与主板处的连接实现支撑,整体结构可认为是悬臂梁状态。因此设计时加大了内侧支板销轴与转轴之间的间距以改善其受力条件,下文力学分析证明了该设计受力的合理性。
1.4 连接结构设计
校轴装备的连接结构包含以下3处:主板与连接座的连接、主板与内侧各支板的连接、外围支板与内侧支板的连接。主板与连接座的连接依靠连接座凹槽与主板侧面进行定位,通过螺栓、螺母实现紧固。主板与内侧各支板的连接、外围支板与内侧支板的连接均依靠销轴和转轴实现。
如图2所示,销轴为可插拔式销结构,包含销孔座、插销、压簧及手柄等。销孔座安装于主板及内侧各支板上,插销、压簧及手柄等安装于内侧各支板及外围支板上。使用时,通过手柄拉动插销压缩压簧,便可使插销与销孔座脱离,此时支板可绕其转轴进行旋转。旋转到位后,松开手柄,插销在压簧的作用下自行插入销孔座并完成固定。
图2 销轴设计图
Fig.2 Design drawing of pin shaft
转轴主要由底座轴、止磨衬套、转销及端盖等组成。底座轴安装于主板及各内侧支板上,止磨衬套安装于底座轴上,转销及端盖安装于各内侧支板及外围支板上。支板旋转时转销绕底座轴旋转,同时转销底面与耐磨衬套间产生滑动。端盖与底座轴采用螺纹连接,长时间旋转使用后可通过拧紧端盖来防止转销与底座轴的松脱。转轴设计如图3所示。
图3 转轴设计图
Fig.3 Design drawing of rotation shaft
2 校轴装备有限元模型建立
2.1 模型简化
为保证计算的合理性,有限元建模过程中对校轴装备进行以下简化和假设[10-12]:
1) 材料的屈服强度、泊松比等属性为固定理论值,不考虑加工、环境等条件对材料固有力学属性的影响。
2) 忽略支板厚度形成的阶梯,即展开后各支板与主板平齐连接。
3) 将销轴、转轴视为各板的自身结构,即展开后的校轴装备为一体化结构件,并视为均质各项同性材料进行求解。
4) 螺钉孔、销轴孔等孔无导角,部分孔洞缺陷填补处理。
5) 忽略对结构整体力学计算影响较小的部件,如销轴把手、连接座、连接螺钉等。
6) 忽略加工、装配过程中产生的初始应力及尺寸偏差。
简化后校轴装备的有限元模型如图4所示。
图4 校轴装备简化模型
Fig.4 Simplified model of axis calibration equipment
2.2 材料属性及网格划分
基于有限元中的梁、板单元的组合对系统结构进行描述,对校轴装备的主板和支板赋予相同的材料(铝合金2A12),其基本力学属性见表1。对展开的校轴装备模型进行网格划分如图5所示。采用局部区域加密的四面体网格,网格包含48万个节点,27万个单元,网格平均质量为0.82。收回的校轴装备结构复杂且重叠区域多,为保证计算准确,缩小了网格单元尺寸。划分完成的网格包含184万个节点,110万个单元,网格平均质量为0.8。
表1 材料属性
Table 1 Material properties
密度/(kg·m3)屈服强度/MPa屈服极限/MPa杨氏模量/GPa泊松比主板、支板2.78×103280410710.33
图5 校轴装备网格划分
Fig.5 Grid division of axis calibration equipment
3 校轴装备力学分析
3.1 重力条件下静力学分析
展开后的校轴装备在连接座的固定作用下处于静止状态,主要承受重力作用。依据校轴装备的实际工作状态,对主板与连接座相接触的底部平面施加固定约束(连接座已忽略),环境条件设置标准重力加速度9.81 m/s2、方向为-Z轴,仿真计算结果如图6所示。
图6 重力分析
Fig.6 Gravitational analysis
从图6中可以看出,重力条件下校轴装备的应力主要集中在2个位置:主板与左右两侧支板的连接处,最大等效应力为5.2 MPa。两侧支板可视为悬臂梁,在承受较大应力的同时,最大变形位置也出现在左右两端,最大变形为0.32 mm,满足作战技术指标要求。
借助航空结构件的安全裕度[13]对校轴装备的构型强度进行分析
Ms=[σ]/σmax-1
(1)
(2)
式(1)、式(2)中:Ms为安全裕度;[σ]为材料的许用应力;σmax为仿真计算得到的最大应力;σ0为材料的失效应力,此处取为屈服强度280 MPa;n为安全系数,取为1.5。经计算可得Ms=34.9,这说明校轴装备具有较大的安全裕度,构型强度满足受力要求。
3.2 风力条件下屈曲分析
野外环境常遇大风天气,风力作用于校轴装备靶面会使支板发生变形影响使用性能,并有倾覆损坏风险。为保证校靶装备在风力扰动作用下保持稳定,须对其开展屈曲分析。施加与重力条件下相同的固定约束,对校轴装备施加压力载荷18.2 N/m2(风压Q=0.5·ρ·V2,ρ为空气密度,取 1.25 kg/m2,V为3级风风速,取最大值5.4 m/s)[14],方向沿Y轴垂直于板面,以模拟3级风力条件。计算求取风力条件下校轴装备的一阶、三阶和五阶屈曲因子,屈曲变形云图如图7所示。对应各阶屈曲因子见表2。
表2 屈曲因子
Table 2 Buckling factor
阶数最大屈曲因子最大相对变形量/mm1-3 764.31.024 93-3 131.41.002 653 724.71.022 2
图7 风力条件下屈曲变形云图
Fig.7 Cloud diagram of buckling deformation under wind conditions
对于屈曲分析而言,第一阶屈曲模态是系统整体结构的最不稳定状态,且初次屈曲的载荷状态与实际载荷状态较为相似,故针对第一阶屈曲变形开展屈曲压力计算[15-16]。校轴装备的屈曲压力为
P=Pz·α1
(3)
式(3)中:Pz为计算施加的载荷,为18.2 N/m2;α1为屈曲因子,为3 764.3。经计算可得一阶屈曲压力为6.85×104 N/m2,这意味着只有风压达到6.85×104 N/m2时,校轴装备的构型才会失稳,校轴装备在3级风力条件下具有良好的结构稳定性。
3.3 工作状态下模态分析
对工作状态下的校靶装备开展模态分析以期提取其固有频率及振型,从而避免外激励带来的振动损伤,并基于此给出使用建议。在模态分析中,低阶模态振幅大且参与系数高,因此重点开展了校靶装备的低阶模态分析。模态分析时,对校轴装备的支板底面施加固定约束,图8展示了分析结果。
图8 装备展开状态下各阶模态振型云图
Fig.8 The mode shape of the equipment in the deployed state
从图8中可以看出,在工作状态下,校轴装备的一阶及三阶模态振型的表现形式为垂直主板及支板平面振动,区别在于最大相对位移发生在不同支板处;五阶模态振型的表现形式为绕支板连接轴扭转振动,系统的相对位移更加显著。校轴装备的前五阶固有频率最大为13.7 Hz,这表明校轴装备在低频下具有较差的刚度特性。
根据空气动力学原理,当空气流过物体时,会在其后形成漩涡脱落。当漩涡的脱落频率(涡激频率)与物体自身的固有频率相等时,物体便会发生风致振动,从而对物体本身造成损伤[17]。涡激频率[18-19]为
(4)
式(4)中:Sr为斯特劳哈尔数,将长支板看作圆柱横截面近似计算,取0.2;v为风的速度,D为特征长度,矩形结构取过流面积与周长之比的4倍,为0.23。风速与涡激频率对照表见表3。
表3 风速与涡激频率对照表
Table 3 Wind speed and vortex induced vibration frequency
风级风速/(m·s-1)上限下限频率/Hz上限下限00.00.20.000.1710.31.50.261.2821.63.31.362.8133.45.42.894.5945.57.94.686.7258.010.76.809.10610.813.89.1811.73
结合模态分析与涡激频率计算结果可知,对于6级以下风力而言,2级风力及3级风力有可能产生与校轴装备自身低阶固有频率相同的激励频率,校轴装备存在共振损伤风险。因此工作时应尽量避免2级风、3级风等低频外激励工况以避免校轴装备损伤及减小校轴精度误差。
3.4 收回状态下模态分析
在运输过程中,校轴装备须承受车辆颠簸带来的随机振动。为确定校轴装备的固有频率及振型,从而避免运输过程中发生共振影响产品的可靠性,这里对收回状态下的校轴装备开展模态分析。对主板前后面添加固定约束,约束状态下校轴装备的模态分析结果如图9所示。
图9 装备收回状态下各阶模态振型云图
Fig.9 The mode shape of the equipment in the recovered state
从图9可以看出,校轴装备在前六阶固有频率下振动时系统的位移主要发生在各支板上;不同阶模态下位移位置不同,但显著位移均集中在各支板末端,这说明支板末端更易发生结构大变形,须给予固定措施以改善变形位移。其中,校轴装备在四阶模态下模态振型的相对位移更为显著。依据军用装备振动试验标准[20]可知自行武器底盘的振动频率发生在30～448 Hz,高于校轴装备位移显著振型的发生频率。此外,校轴装备包装箱内具有与校靶设备折叠后完全契合的固定海绵,在实际运输过程中对各支板末端具有较好的固定与缓冲防护作用,可使校轴装备有效避免因行驶颠簸而引起的共振损伤。
4 结论
根据某自行防空武器具有轴系繁多、轴系间距大的特点,提出了一种新型校轴装备构型,并分析了其在真实使用场景下的刚强度、结构稳定性及固有频率特性。研究得到的主要结论如下:
1) 新型校轴装备构型兼具高刚强度及轻量化,支板可旋转式设计,机构动作灵活,展开后各轴系的间距尺寸精准、收回后整体结构方正且占据空间小。
2) 重力条件下校轴装备最大变形发生在左右两侧支板处,最大变形为0.32 mm,满足刚度及作战指标要求;构型强度安全裕度为34.9,满足强度要求。
3) 以3级风力条件计算校轴装备的屈曲变形,最大屈曲因子为3 764.3,最大相对变形量为1.024 9 mm,计算表明,校轴装备具有较好的结构稳定性。
4) 工作状态下的校轴装备在低频下(2.3/3.0 Hz)具有较差的刚度特性,应尽量避免在2级风力及3级风力等低频外激励工况下开展校轴工作。
5) 收回状态下校轴装备的模态振型的变形位移集中在各支板末端,在四阶模态下校轴装备模态振型的相对位移更为显著,此时其固有频率为29 Hz,低于自行武器底盘的最低振动频率;在实际运输时,通过在校轴装备包装箱内添加海绵以固定各支板可有效避免校轴装备发生共振损伤。
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