全箭鐵路運(yùn)輸?shù)慕M合化工裝結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

于霖，盛希

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

為了縮短技術(shù)陣地準(zhǔn)備時(shí)間，提高航天運(yùn)載飛行器的快速響應(yīng)能力，目前部分航空運(yùn)載飛行器采用全箭鐵路運(yùn)輸快速進(jìn)廠方案，該方案需要在保溫運(yùn)輸箱空間、固定限制裝置技術(shù)、箭體結(jié)構(gòu)等諸多因素的限制下，滿(mǎn)足全箭在1g的過(guò)載工況下鐵路運(yùn)輸?shù)囊?，且需要保證全箭鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。為了?shí)現(xiàn)該運(yùn)輸方案，本文利用現(xiàn)有箭體結(jié)構(gòu)及保溫運(yùn)輸箱接口，設(shè)計(jì)了一種大負(fù)載、高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)接工裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)工裝與箭體及保溫運(yùn)輸箱的連接，實(shí)現(xiàn)飛行器在保溫運(yùn)輸箱內(nèi)的安裝固定，并通過(guò)固定限制裝置對(duì)工裝進(jìn)行加載限制，轉(zhuǎn)而化解運(yùn)輸過(guò)載工況給全箭產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

1 組合化工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)全箭鐵路運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)指標(biāo)及成本要求，本文設(shè)計(jì)的組合化工裝結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：（1）在滿(mǎn)足全箭鐵路運(yùn)輸要求的前提下，按照低成本、輕量化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；（2）在全箭鐵路運(yùn)輸過(guò)程中可重復(fù)使用；（3）與運(yùn)載飛行器、保溫運(yùn)輸箱間具有良好的裝配工藝性。

1.2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的組合工裝由凸塊、金屬支架和毛氈三部分組成，如圖1所示。在全箭出廠前，將凸塊插入艙段前端框安裝孔，通過(guò)過(guò)Q/Y70.4-2001螺栓進(jìn)行連接，然后將金屬支架與凸塊進(jìn)行連接，金屬支架與每個(gè)凸塊間通過(guò)4個(gè)Q/Dy1398.1-2014 GH4169抗剪螺栓進(jìn)行連接。組合工裝安裝后，全箭起吊轉(zhuǎn)運(yùn)至鐵路保溫運(yùn)輸箱內(nèi)，保證保溫運(yùn)輸箱底部的定位銷(xiāo)落入工裝底部的定位銷(xiāo)長(zhǎng)圓孔，啟動(dòng)保溫運(yùn)輸箱夾緊裝置，夾緊裝置與組合工裝夾持面接觸，軸向夾緊組合工裝。其中，凸塊材料選用低合金鑄鋼ZG35CrMnSi，采用機(jī)加的工藝進(jìn)行加工；金屬支架包括弧板及網(wǎng)格加筋主結(jié)構(gòu)。材料選用低合金鑄鋼ZG35CrMnSi，采用一體化鑄造+機(jī)加的工藝進(jìn)行加工；毛氈材料選用FZ/T25001-2012，毛氈與金屬支架采用HG6-415-79橡膠液進(jìn)行黏接。

圖1 組合工裝示意圖

2 有限元靜力學(xué)分析

本文采用了有限元靜力學(xué)仿真分析手段對(duì)本文設(shè)計(jì)的全箭鐵路運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，在明確載荷條件與邊界條件后，通過(guò)有限元模型分析該工裝在啟動(dòng)加速（載荷方向?yàn)榕摱吻岸嗣嬷赶蚝蠖嗣妫┖蛣x車(chē)減速（載荷方向?yàn)榕摱魏蠖嗣嬷赶蚯岸嗣妫┻@兩種工況下的性能。

2.1 有限元模型

有限元仿真分析過(guò)程中，采用的模型如圖2所示，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模擬邊界模型、艙段簡(jiǎn)化模型和組合化工裝模型。

圖2 有限元模型

2.2 載荷、邊界條件

載荷條件：（1）全箭重量取38.5t；（2）全箭鐵路運(yùn)輸軸向加速度取1g；（3）全箭鐵路運(yùn)輸組合化工裝設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.5。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)模擬邊界模型前端面參考點(diǎn)處施加57.75t（38.5t×1g×1.5）的軸向過(guò)載載荷，同時(shí)約束參考點(diǎn)除箭軸方向自由度以外的其他所有自由度。

邊界條件：約束定位銷(xiāo)孔和工裝上的夾緊裝置接觸面，僅保留其豎直方向的自由度。

2.3 分析結(jié)論

基于前文所示的有限元模型和載荷與邊界條件，分析了啟動(dòng)和剎車(chē)兩種工況下艙段對(duì)稱(chēng)模型和組合工裝的整體位移云圖，并分別得出各項(xiàng)指標(biāo)的分析數(shù)據(jù)，如表1所示。

通過(guò)表1的數(shù)據(jù)可以得到本文所設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核情況，包括以下兩點(diǎn)：

表1 全箭鐵路運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)有限元靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)

（1）啟動(dòng)、剎車(chē)工況下，艙段最大應(yīng)力為317MPa，最大位移為1.5mm，結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

（2）啟動(dòng)、剎車(chē)工況下，金屬支架和凸塊除連接螺栓孔周局部發(fā)生塑性變形外，其他區(qū)域均未發(fā)生塑性變形；金屬支架與凸塊連接螺栓的最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.8%，螺栓的延伸率為12%，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3 艙段運(yùn)輸支點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度與大負(fù)載的性能，本文按照實(shí)際的安裝狀態(tài)及加載條件進(jìn)行艙段運(yùn)輸支點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖3所示，具體流程為先做啟動(dòng)、加速工況，后做剎車(chē)、減速工況，試驗(yàn)中的載荷加載級(jí)別如表2所示。

表2 試驗(yàn)加載級(jí)別

圖3 試驗(yàn)安裝與加載示意圖

試驗(yàn)中，第7級(jí)是使用載荷，第8級(jí)是考慮全箭靜摩擦的設(shè)計(jì)載荷，第11級(jí)是設(shè)計(jì)載荷。在正式試驗(yàn)前，進(jìn)行預(yù)示試驗(yàn)，加載至第3級(jí)，然后卸載，進(jìn)行正式試驗(yàn)。逐級(jí)加載到第7級(jí)，檢查組合工裝是否有破壞或其他異常，如無(wú)問(wèn)題，繼續(xù)加載至第11級(jí)停止加載。加載過(guò)程中測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移。

試驗(yàn)過(guò)程中，組合工裝無(wú)破壞、損傷及其他異?，F(xiàn)象，組合工裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移的變化量在允許范圍內(nèi)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，全箭鐵路運(yùn)輸組合工裝設(shè)計(jì)方案正確、合理可行，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)有限元靜力學(xué)仿真分析和靜力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的全箭鐵路運(yùn)輸組合工裝合理可行，滿(mǎn)足強(qiáng)度和負(fù)載要求。該方案能夠使得全箭具有適應(yīng)鐵路運(yùn)輸?shù)拇筮^(guò)載能力，能夠保證全箭鐵路運(yùn)輸?shù)母呖煽啃约鞍踩浴?/p>