导弹垂直补给水平着舰冲击振动有限元分析

任爱娣，肖 肯，何学军，余 鹏

(海军工程大学勤务学院，天津300450)

垂直补给是指运用直升机为海上航行或锚(漂)泊的舰艇实施物资补充的活动。在导弹垂直补给过程中，导弹补给设备与甲板接触的瞬间，由于接收船受波浪的影响会发生升沉、横摇、纵摇等六自由度运动，而且直升机驾驶员的熟练程度等因素都有可能使导弹补给设备与甲板发生碰撞。因此，研究导弹补给设备与甲板接触瞬间的振动问题，对保证导弹安全、提高补给效率具有十分重要的意义。

冲击振动广泛存在于汽车、航空航天、轨道交通以及机械制造等多个领域。徐振钦等［1］研究了发射装置冲击振动的液压系统变阻尼控制，提高了多管火箭武器发射频率的抗冲击性能。高伟等［2］介绍了进行基于汽车振动的模态试验时应遵循的模态试验理论、模态试验方法及确保测试精度的相关措施。朴明伟等［3］在对车辆振动舒适性进行试验和仿真分析的基础上，以拖车为对象，研究空簧悬架对车辆垂向振动舒适性和地板振动的影响。本文针对某型导弹垂直补给货物水平着舰的具体情况，对补给过程中的冲击振动进行分析，得到振动规律，对后续减振研究提供理论依据。

1 导弹垂直补给设备有限元分析模型

在建立导弹垂直补给设备有限元模型时，既要如实地反映设备实际结构的重要特性，也要采用尽量少的单元和简单的单元形态，以保证得到较高的计算精度并缩小计算规模。导弹垂直补给设备是由多个构件组合而成的实体，成型工艺较为复杂，选择合理的模型是关键的一步。在使用ANSYS软件对导弹垂直补给设备进行有限元分析前，先对实体模型进行简化。

1.1 研究对象实体模型

导弹垂直补给设备模型如图1所示，主要材料为复合大板，主要由顶板、前板、后板、中板、左右侧板以及底板构成，与底板连接有3根横梁，方便船上导弹输转车进行转输。

图1 导弹垂直补给设备简化模型

1.2 导弹垂直补给设备复合大板模型简化

导弹垂直补给设备是以复合板为主体的结构材料，减振措施是在导弹指定位置加装橡胶垫。根据复合板的具体结构和材料组成，考虑到作为一个整体的复合大板在补给时主要承受冲击振动［4］，先求出复合大板整体没有橡胶垫的应力应变，与垫有橡胶垫时的应力应变相比较，进而得出橡胶垫的减振效果。

复合大板是导弹垂直补给设备的主体材料，以铝合金板为内外蒙皮，用来承受轴向载荷及径向剪力;中间层填充硬聚氨酯泡沫板，将内外蒙皮联结成一体，承受由一块蒙皮传递到另一块蒙皮的载荷和剪力;胶黏剂将剪力传到泡沫夹芯，再由夹芯传到另一块蒙皮［5］。

该补给设备底板骨架的材料是钢Q235，其主要参数:密度 ρ1=7.85 ×103kg/m3，弹性模量 E1=2.1 ×105MPa，泊松比 μ1=0.28。聚氨酯泡沫材料夹心复合大板的基本结构参数:蒙皮选用铝合金2A12，厚度d1=1.5 mm，且内外蒙皮厚度相等，蒙皮的弹性模量 E2=7 ×104MPa，泊松比 μ2=0.3，密度ρ2=2.7×103kg/m3;芯层材料是硬质聚氨酯泡沫材料，厚度d2=50 mm。6块大板结构相同，复合大板内不设加强梁，芯层材料弹性模量E3=10 MPa，泊松比 μ3=0.3，密度 ρ3=60 kg/m3［6］。

依据经典层合理论，作以下假设:

(1)铝板和聚氨酯泡沫之间黏结牢固，变形前后，层间不产生滑移;

(2)整个层合板是加速度厚度相等;

(3)平行于板中面的各截面上的正应力很小，可以忽略不计，并近似地认为各层处于平面应力状态。

1.3 导弹垂直补给设备主体模型简化

建立导弹垂直补给设备的有限元分析模型，一般要采用面替代具有一定横截面特征的实体或实际构件，以达到精简结构的目的。使用UG软件，可快捷而直观地完成模型的建立，使整个建模过程趋于简单化，节省建模的时间和步骤。

导弹垂直补给设备是6块大板组成的六面立方体，整体结构是由角形件和角件组成(如图2所示)。垂直补给设备底部还设有3根横梁。在简化导弹垂直补给设备模型时，可作下列假设:

(1)导弹垂直补给设备大板与大板之间以及大板与角形件之间均紧密接触，变形前后无相对滑动;

(2)垂直补给设备壳顶变形前后，均不与内部导弹发生接触，即内装导弹与壳顶之间没有相互作用力。

图2 复合大板的梁和角形件的简化

基于上述假设，可将导弹垂直补给设备模型简化成一个封闭的壳体、3个横梁和2枚导弹及4个适配器。再假设导弹垂直补给设备壳体与横梁紧密结合，微小变形前后，二者均无相对滑动或断裂，故可将模型建立在同一个零件图中，即将二者简化为一个整体。最终模型如图1所示。

橡胶垫加装于导弹与补给设备底板之间，橡胶阻尼系数取0.1～0.15。横梁等间距分布于壳体底部，设备下落接触甲板时，会在导弹与适配器及橡胶垫接触处产生应力，应力的大小表示接触时振动的强弱。横梁为工字形，材料选用聚氨酯泡沫材料的夹心复合板。

1.4 有限元网格划分

利用ANSYS软件，对模型进行网格离散化。采用MeshTool中Smart Size命令，充分利用ANSYS软件的自适应功能，对模型进行网格化，这样能使网格划分更为合理。对壳体和横梁取单元大小为100 mm，对弹体取单元大小为10 mm，在与弹体接触部位进行网格加密处理，单元大小为5 mm，对面体进行面网格划分(如图3所示)。

图3 导弹垂直补给设备模型网格划分

2 基于ANSYS的导弹垂直补给振动分析

设导弹垂直补给着舰时甲板固定不动，补给设备的加速度垂直向下。分别取补给设备从距离甲板10、15、20 cm的高度处开始着舰。垂直补给过程是在相对稳定的海况下进行的，补给设备下落到甲板的过程近似于补给设备自由落体。对上述3种情况进行等效处理，等效为补给设备以不同的初速度从同一高度下落，水平着舰后产生冲击振动。设补给设备与甲板间的距离为1 mm，则设备距离甲板1 mm处的初速度分别为1.4、1.7、2.0 m/s，与甲板接触的时间同为 0.1 s。

通过ANSYS软件进行分析计算，可得到无橡胶垫情况和有橡胶垫情况下的导弹壳体应力计算结果图(如图4(a)、(b)所示)。由图4可知，导弹受力主要集中在与适配器接触处，其余各处未受到影响。

图4 导弹壳体应力分布

经过计算得出导弹垂直补给设备不同高度下落情况下的应力和应变情况(见表1)。无橡胶垫情况与有橡胶垫情况最大应力对比如图5所示。由表1中的最大应力一栏可知，导弹壳体的最大应力随着距离甲板高度的增加而增大。由图5可知，补给时下落的距离会对导弹壳体产生影响，加装橡胶垫会使导弹壳体的最大应力大幅减小，所以，在导弹垂直补给设备内采取减振措施是非常有必要的。

表1 3种高度下导弹壳体最大应力和应变

图5 有、无橡胶垫情况最大应力对比

3 结语

通过建立导弹垂直补给设备有限元分析模型，将模型简化并进行仿真计算分析，可知导弹壳体的最大应力随着距离甲板高度的增加而增大，加装橡胶垫会使导弹壳体的最大应力大幅减小。所以，在确定适宜的下落高度后，采取有效的减振措施可以减少导弹垂直补给水平着舰冲击振动对导弹的影响，使导弹补给更加安全、可靠。

［1］ 徐振钦，冯勇，于存贵.发射装置冲击振动的液压系统变阻尼控制［J］.机床与液压，2009，37(10):106 －109.

［2］ 高伟，柴光远.基于汽车振动的模态试验方法探究与应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2012(8):36－38.

［3］ 朴明伟，任晋峰，李娜，等.基于空簧悬挂特性的高铁车辆垂向振动舒适性对比研究［J］.中国铁道科学，2012，33(1):71－77.

［4］ 胡起伟，王广彦，石全，等.爆炸冲击振动环境下电子装备损伤仿真研究［J］.兵工学报，2012，33(1):13 －18.

［5］ 王良模，吴长风，王晨至.特种车辆方舱结构的有限元分析［J］.南京理工大学学报，2008，32(6):707 －709.

［6］ 刘亚超，宣兆龙，乐惠宁，等.导弹集装单元储存静力学有限元分析［J］.军械工程学院学报，2011，23(6):39 －42.