火箭发射架结构强度与模态仿真分析

张乐，许宏涛

（中国航天科技集团有限公司第四研究院第四十一研究所，陕西 西安 710025）

中国未来将进行深空探测，探测太阳系、火星、小行星等，探寻地外生命信息，其中火星是中国计划探测的第一颗行星。针对火星的探测任务，主要包括对火箭大气环境探测、火星的地形、地貌特征探测，火星表面物质和地质特征探测。

火星探测工程需要突破一系列关键技术，这些关键技术的成熟度与可靠性关系到整个项目的成败，因此我国计划采用对此类关键技术在地球临近空间进行试验验证。探空火箭是在近地空间进行科学试验的火箭，其研制周期短，满足火星探测计划的任务窗口，发射较为方便，经济性也较好，成为了此类验证试验的首选。探空火箭通常由一些可移动式发射架进行发射，航天四院为火星探测任验证试验研制的发射架周期极短，研制压力较大。为减少样机制作成本，缩短产品实验周期，加快新品研发进程，本文对其发射架结构进行结构强度和模态分析，以验证其各项结构性能是否满足任务要求。通过分析，本发射架的结构强度和频率满足要求。

1 发射架组成和工作原理

运载器发射系统分为机械装置、控制组件（包含控制设备和定位定向设备）。发射系统主要由导轨、过渡架、起竖臂、挡箭装置、起竖装置、回转支撑、回转驱动、机械装置基座、调平系统、伺服驱动柜、伺服控制箱、导流装置、插拔机构等组成，发射系统组成图如图1所示。它能够自主定位定向，电动伺服起竖回转，并执行规定瞄准角度下的发射任务；同时可以通过将发射系统基座去掉，安装在车辆底盘上，附加以供电设备实现车载运输发射。

图1 发射架组成图

2 模型前处理

2.1 有限元模型

将发射架结构几何模型导入ANSYS中，对模型进行前处理，去除不必要驱动柜、工具箱等结构件，简化丝杠等结构件。随后对结构件赋予材料特性，其中支耳、过渡架、起竖臂、回转支撑、和基座等为Q345钢材，导轨为45#钢材。材料参数统一为弹性模量为206GPa，泊松比为0.269，密度为7850kg/m3。对结构件采用二阶四面体实体单元进行网格划分，关键部位进行加密处理，网格宽高比大部分区域为5，支耳，旋转支撑等宽高比约为2，在权衡计算效率与精度利弊后选择采用此网格设置既可以达到收敛又能较快完成计算，最终网格数为552481个，节点数为1044136个，具体如图2所述。

图2 发射架网格图

2.2 载荷、约束与接触

发射系统结构件主要受到火箭的重力和装置自身的重力载荷，火箭重力添加通过定义好的坐标系（火箭质心位置）位置，使用“远程载荷”添加到导轨4个缺口处（火箭4个滑块处），结构件自身重力通过重力载荷添加。

在软件中设置装置4个调平装置在垂直于底面方向位移为零，设置4个支腿垂直于底面方向位移为零，为了消除装置的刚体位移（有限元分析中必须消除刚体位移）在装置设置支腿的一个尖点固定约束，依据圣维南原理，该固定约束对仿真结果影响可忽略。

机械装置结构件使用焊接方式将板材和管材焊接在一起，该分析不考虑焊接强度问题，因此焊接接触在分析中全部设置结合，因此零件之间的接触忽略。销轴连接定义为销钉接头连接；采用无平移，旋转销钉接头。

2.3 计算工况

该型探空火箭发射时，发射装置俯仰角为80°，方位角为0°，火箭重力一部分加载到挡箭板部件，一部分垂直于轨道缺口处，本文对此种工况下的结构强度和模态进行仿真分析。

3 结构强度分析

对上述有限元模型进行计算，所得发射装置应力云图见图3，最大应力值约150MPa，位于挡箭板与导轨连接处，位移云图如图4所示，挡箭板处的变形约2.5mm，导轨顶端是变形累加的结果，约为10mm。通过分析可知，发射系统结构件安全裕度较大，变形也满足总体指标要求，结构强度满足要求。

图3 发射架应力云图

图4 发射架位移云图

4 结构模态分析

对上述有限元模型进行模态分析，分析的终止条件为前4阶模态或线性动力无规则振动扫描2000HZ的振动频率。前4阶模态的计算结果图见图5。

图5 前4阶模态计算结果（从左至右分别为1至4阶模态）

从图中可以看到，前4阶频率分别为5.76Hz，6.05Hz，19.45Hz和20.78Hz，1阶模态主要是横向摆动，2阶模态主要是俯仰方位摆动，3阶模态为横向弯曲，4阶模态为俯仰方向弯曲。发射架模态与火箭的激励差别较大，不会产生共振。

5 结语

本文采用有限元仿真分析对某型探空火箭发射架进行结构强度和模态分析，分析结果表明该重构强度和刚度满足要求，固有频率与火箭激励有一定差别，结构满足火箭发射要求。