一種新的飛行器運(yùn)輸振動(dòng)負(fù)荷確定方法淺探

佟向鵬 何緒龍

(1.海軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076；2.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

在飛行器研制過程中，要通過公路、鐵路等方式運(yùn)往試驗(yàn)基地進(jìn)行靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)，運(yùn)輸之前設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)文件中會(huì)對(duì)運(yùn)輸?shù)缆返牡燃?jí)、運(yùn)輸狀態(tài)(行進(jìn)速度、運(yùn)輸時(shí)間長度、振動(dòng)負(fù)荷范圍等)作出明確規(guī)定，然后先進(jìn)行運(yùn)輸試驗(yàn)，有了明確的試驗(yàn)結(jié)論之后，才能運(yùn)輸飛行器本體。

2 飛行器實(shí)物運(yùn)輸試驗(yàn)面臨的問題

飛行器狀態(tài)鑒定完畢并列入部隊(duì)裝備計(jì)劃之后，要在研制與生產(chǎn)單位的總裝與測(cè)試廠房實(shí)施總裝與出廠測(cè)試，測(cè)試合格后通過公路、鐵路等方式運(yùn)往基層部隊(duì)投入使用。在向基層部隊(duì)運(yùn)輸過程中，增加了運(yùn)輸持續(xù)時(shí)間和新的運(yùn)輸狀態(tài)。

在飛行器研制階段初始技術(shù)文件中，存在振動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)未考慮運(yùn)輸時(shí)間加長的可能性；同時(shí)，也存在導(dǎo)彈在沿新路線運(yùn)輸過程中，對(duì)途中產(chǎn)生振動(dòng)負(fù)荷特點(diǎn)研究不充分的可能性。因此，已取得靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)成功的飛行器，在向基層部隊(duì)運(yùn)輸時(shí)，是否還需要增加運(yùn)輸振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，成為迫切需要思考并加以解決的問題。該問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致研制與生產(chǎn)單位和部隊(duì)面臨兩難的局面：一是增加附加試驗(yàn)的情況下，需要再次開展大量試驗(yàn)工作，并需要專用經(jīng)費(fèi)支撐；二是已經(jīng)在靶場(chǎng)試驗(yàn)成功的飛行器，在具備列裝、使用條件的情況下，增加附加試驗(yàn)時(shí)可能發(fā)生損壞。

3 采用等比模型開展替代試驗(yàn)的方法探討

針對(duì)上述問題，本文提出一種解決問題的方法，即比較分析法。以飛行器及等比模型運(yùn)往試驗(yàn)靶場(chǎng)過程的測(cè)量記錄為基礎(chǔ)，推斷出運(yùn)往基層部隊(duì)時(shí)振動(dòng)負(fù)荷條件。采用該方法，既能夠直觀反映出向試驗(yàn)靶場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)負(fù)荷狀態(tài)的特點(diǎn)，又能通過采用新的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量結(jié)果處理方法，與以往測(cè)量振動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)的記錄進(jìn)行比較，驗(yàn)證新方法合理性的同時(shí)，為證實(shí)大型飛行器是否滿足運(yùn)往基層部隊(duì)時(shí)的振動(dòng)負(fù)荷條件提供理論及試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)物試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯訙y(cè)量出公路或鐵路運(yùn)輸時(shí)振動(dòng)狀態(tài)，為向基層部隊(duì)運(yùn)輸面臨不同的運(yùn)輸方式、不同的運(yùn)輸路線，乃至不同型號(hào)產(chǎn)品時(shí)，適應(yīng)性改進(jìn)有關(guān)技術(shù)狀態(tài)提供依據(jù)。但因?yàn)樵囼?yàn)的特殊性，建議可以針對(duì)已經(jīng)成功完成飛行試驗(yàn)的飛行器開展前期的試驗(yàn)摸索[1]，因其具備比較詳盡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，且道路運(yùn)輸特點(diǎn)比較明確，從而容易確定試驗(yàn)狀態(tài)并利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比對(duì)[2]。

試驗(yàn)中，可以把已經(jīng)定型的或正在研制的飛行器的等比模型裝進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)貯運(yùn)箱，代替飛行器實(shí)物開展運(yùn)輸試驗(yàn)。運(yùn)輸過程中，在貯運(yùn)箱中既要測(cè)量架車或支架支撐截面輸入加速度a1、a2…的同時(shí)，也要測(cè)出等比模型彈的輸出加速度a1′、a2′…，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)示意圖

在運(yùn)輸試驗(yàn)過程中，應(yīng)完整記錄架車或支架支撐截面及等比模型上安放的傳感器輸出的振動(dòng)沖擊數(shù)據(jù)，從而為原理分析和試驗(yàn)狀態(tài)比對(duì)提供充分的數(shù)據(jù)支撐，示意圖見圖2。這些數(shù)據(jù)包含等比模型對(duì)振動(dòng)的衰減特征、力的相互作用特征，以及振幅、頻率、分布、相位等關(guān)系，從而為實(shí)物運(yùn)輸和理論分析中被試對(duì)象的輸入(在支承截面上)和輸出(等比模型上)振動(dòng)沖擊進(jìn)行比較分析，進(jìn)而驗(yàn)證動(dòng)態(tài)計(jì)算模型的正確性提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 數(shù)據(jù)采集比對(duì)示意圖

4 確定運(yùn)輸振動(dòng)負(fù)荷的關(guān)注點(diǎn)

開展上述試驗(yàn)的主要目的，主要是得到向基層部隊(duì)運(yùn)輸時(shí)飛行器承受的振動(dòng)沖擊數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真等理論分析，進(jìn)而驗(yàn)證飛行器的適應(yīng)能力，為飛行器在實(shí)際發(fā)射陣位使用并做出可以進(jìn)行飛行試驗(yàn)決策提供理論及試驗(yàn)支持。

上述目的決定了試驗(yàn)中，應(yīng)以正式的設(shè)計(jì)文件規(guī)定等比模型的組成、結(jié)構(gòu)和布局，并按設(shè)計(jì)文件制造、安裝配重，從而真實(shí)反映飛行器上各類儀器(儀表、機(jī)構(gòu)、裝置和電纜系統(tǒng)等)的真實(shí)狀態(tài)，模型的尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置、固定節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度指標(biāo)基本與實(shí)物保持一致，這些對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位來說都比較容易實(shí)現(xiàn)。傳感器在被試對(duì)象含等比模型及支架上的安裝位置，應(yīng)充分考慮試驗(yàn)狀態(tài)特點(diǎn)，以及按輸入——輸出系統(tǒng)完成振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需求。此外，應(yīng)該注意的是，實(shí)物運(yùn)輸及試驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)過程中，架車或支架支撐截面以及等比模型上傳感器安放位置保持一致，從而保證被測(cè)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的一致性，真實(shí)反映不同試驗(yàn)狀態(tài)下振動(dòng)沖擊的真實(shí)區(qū)別。

如果同一個(gè)等比模型在試驗(yàn)過程中受到長時(shí)間的“運(yùn)輸”振動(dòng)沖擊作用，留存的試驗(yàn)記錄可以作為壽命試驗(yàn)的重要參考。因此，在記錄振動(dòng)沖擊負(fù)荷過程期間，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)等比模型的狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)損壞、裂縫等情況。建議在每一個(gè)階段運(yùn)輸試驗(yàn)后，詳細(xì)察看等比模型并監(jiān)測(cè)其狀態(tài)。在發(fā)現(xiàn)損傷時(shí)及時(shí)針對(duì)相關(guān)區(qū)域，利用有限元分析等手段，將過載過程體現(xiàn)到應(yīng)力轉(zhuǎn)換過程，從而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析出運(yùn)輸過程對(duì)飛行器強(qiáng)度壽命的影響。

上文等比模型替代試驗(yàn)僅表述了原理性的方法，實(shí)際試驗(yàn)中要充分解決下面一系列基礎(chǔ)性問題，從而保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性：

(1)要采集的數(shù)據(jù)涉及架車或支架支撐面、貯運(yùn)箱與運(yùn)輸車輛鎖接位置、等比模型外壁及內(nèi)部關(guān)鍵配重等多個(gè)位置振動(dòng)沖擊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]；

(2)確定在公路或鐵路運(yùn)輸過程中，不同道路狀態(tài)下振動(dòng)過程的特征(如譜密度、均方值、概率積分函數(shù)、三軸振動(dòng)沖擊頻率分布情況等)；

(3)把理論分析得出的振動(dòng)加速度，與等比模型實(shí)物運(yùn)輸時(shí)得到的試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)比較分析，驗(yàn)證有限元模型的正確性；

(4)根據(jù)道路運(yùn)輸時(shí)對(duì)等比模型的測(cè)量結(jié)果，使用有限元法分析確定架車或支架支撐面的輸入振動(dòng)沖擊與等比模型上輸出振動(dòng)沖擊之間的關(guān)系；

(5)用等比模型實(shí)物運(yùn)輸時(shí)測(cè)到的振動(dòng)沖擊激勵(lì)飛行器理論模型，分析應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，優(yōu)化提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

要想讓試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效發(fā)揮作用，有條件情況下還應(yīng)在試驗(yàn)后及時(shí)做好以下工作：

(1)用測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)被試對(duì)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)負(fù)荷條件數(shù)學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行概率—統(tǒng)計(jì)分析；

(2)做好飛行器實(shí)物道路運(yùn)輸及仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與等比模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析；

(3)等比模型試驗(yàn)后與飛行器實(shí)際交付基層使用部隊(duì)實(shí)物運(yùn)輸時(shí)的受損性比較分析；

(4)對(duì)道路運(yùn)輸時(shí)采集的、理論分析的、實(shí)驗(yàn)室條件下仿真試驗(yàn)取得的振動(dòng)沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，從而確定修正關(guān)系，并為后續(xù)修訂實(shí)驗(yàn)室仿真分析模型提供支撐。

將上述問題解決后，可以充分利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定飛行器道路運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)靶場(chǎng)、基層使用部隊(duì)時(shí)負(fù)荷比較分析的準(zhǔn)則；確定靜態(tài)強(qiáng)度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，即試驗(yàn)中縱向、垂向和側(cè)向的振動(dòng)沖擊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)飛行器負(fù)荷條件與應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，優(yōu)化完善飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品交付基層使用部隊(duì)使用時(shí)具有足夠的抗沖擊能力。

5 結(jié)束語

上述試驗(yàn)基本能仿真飛行器道路運(yùn)輸?shù)膶?shí)際狀態(tài)，但在飛行器產(chǎn)品運(yùn)輸時(shí)，進(jìn)一步確定真實(shí)振動(dòng)沖擊狀態(tài)，將為提高后續(xù)設(shè)計(jì)能力和仿真試驗(yàn)效果起到極為重要的作用?；诖?，建議關(guān)注重點(diǎn)如下：

(1)已定型的飛行器長時(shí)期內(nèi)還將在靶場(chǎng)進(jìn)行抽檢飛行試驗(yàn)。因此向試驗(yàn)靶場(chǎng)運(yùn)輸飛行器時(shí)，如能詳細(xì)測(cè)量實(shí)際的負(fù)荷狀態(tài)，將對(duì)完善振動(dòng)沖擊試驗(yàn)方法起到有效的促進(jìn)作用。通過長期監(jiān)測(cè)，可對(duì)道路運(yùn)輸狀態(tài)有詳盡的了解，發(fā)現(xiàn)公路或鐵路沿線的復(fù)雜路況，進(jìn)而能夠給出沿這些路線高速運(yùn)輸狀態(tài)的建議；

(2)根據(jù)向試驗(yàn)靶場(chǎng)和基層部隊(duì)實(shí)物運(yùn)輸試驗(yàn)的結(jié)果，將得到極值沖擊數(shù)據(jù)，為飛行器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承力件和相關(guān)搭載設(shè)備時(shí)提供參考。以往技術(shù)人員在設(shè)計(jì)飛行器時(shí)，只能通過參考一系列標(biāo)準(zhǔn)文件內(nèi)明確的極值過載數(shù)據(jù)，如鐵路運(yùn)輸時(shí)縱向過載為3g，安全系數(shù)取2等，而在充分做好實(shí)物運(yùn)輸試驗(yàn)并積累豐富的數(shù)據(jù)后，以此為支撐，可以有依據(jù)、科學(xué)量化地針對(duì)飛行器運(yùn)輸目的地，確定并設(shè)計(jì)“運(yùn)輸”過載能力；

(3)將準(zhǔn)確確定從某一個(gè)基地發(fā)射的飛行器的振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)(過載水平及作用時(shí)間)，并用以修正試驗(yàn)室條件下振動(dòng)運(yùn)輸試驗(yàn)的狀態(tài)與時(shí)間長度，提高運(yùn)輸試驗(yàn)水平和有效性。