基于FTA的发射平台摆杆桁架结构分析
2021-03-15任晓伟赵劲彪潘玉竹黎定仕王明华
任晓伟，赵劲彪， 潘玉竹， 黎定仕， 冯 超，王明华
(北京航天发射技术研究所，北京 100076)
随着国内新一代运载火箭的发展，新一代发射平台应运而生。摆杆作为发射平台的关键设备，主要用于铺设各种加注、供气、电缆、空调等管线路，在运输过程中摆杆保持各种管路、连接器、电缆的状态不变，起飞前带动脱落的连接器、管路、接头等摆开到安全范围之内[1]。关于摆杆设备，工程设计人员开展了一系列研究工作，王婷等[2]针对火箭摆杆使用时的工作状态，分析模拟摆杆加载试验的难点，提出载荷的铺设、安装和试验改进方案，并设计出工艺装备。赵海等[3]对摆杆机构风载模拟试验进行初步研究，提出一种模拟摆杆机构实际风载的试验方法。丁保民等[4]描述了一种高可靠摆杆远程控制系统的组成、摆杆控制方法、远程冗余控制原理，以及摆杆控制通路的实现方式。
但是目前鲜有学者对摆杆桁架结构进行研究分析，本文结合工程实例，建立摆杆桁架失效FTA，梳理其发生失效底事件，并利用有限元计算手段，逐一分析摆杆桁架失效底事件影响，为摆杆桁架设计优化提供借鉴。
1 FTA分析方法
故障树分析(FTA)是一种演绎性的失效分析方法，广泛应用于系统安全性评估工程领域，以揭示系统失效的原因[5]。可以发现潜在的故障，揭露设计的薄弱环节，以便改进设计[6]。
故障树分析步骤主要有[7]：首先广泛收集并分析有关技术资料；然后选择顶事件，顶事件是故障树分析中所关心的结果事件；建树及其简化；进行底事件的计算。
2 工程实例
某型摆杆如图1所示，主要由摆杆桁架、摆杆主轴、驱动组以及拉索组成。
摆杆桁架为摆杆最主要的部件之一，为便于公路运输，摆杆分为前、后段桁架并由连接叉扣组连接，其中连接叉扣组包括：连接叉扣(双耳)、连接叉扣(单耳)、销轴，摆杆上布置吊耳，配套拉索安装，如图2～图4；一般要求其结构安全系数大于2且变形量不大于250 mm；在火箭发射过程中摆杆桁架所承受载荷有：摆杆桁架自重、摆杆上铺设加注管路载荷、连接器设备载荷、风载以及火箭燃气流载荷等。在任务过程中，摆杆桁架应保证自身强度不失效且变形量不能过大，避免与其他系统碰撞。因此，摆杆桁架失效形式主要有：摆杆桁架强度失效、摆杆桁架变形量过大。采用FTA方法，对某型摆杆桁架失效原因进行分析，梳理底事件。
图1 发射平台摆杆
图2 摆杆桁架
图3 吊耳
图4 连接叉扣组
3 摆杆桁架FTA分析
根据摆杆桁架功能、性能分析，摆杆桁架强度失效故障树如图5所示，可知底事件有6项，分别为：前、后桁架强度失效；连接叉扣强度失效；吊耳强度失效；前、后桁架压杆失稳失效；桁架变形量过大，拉索强度失效。
图5 摆杆桁架失效故障树
4 摆杆故障树底事件计算分析
结合某型摆杆，对5项故障树底事件进行逐一分析，利用Abaqus建立有限元模型，桁架、主轴采用梁单元建模，拉索采用单向弹簧单元(仅受拉载荷)建模，如图6所示。施加载荷，包括：连接器设备集中载荷，燃气流载荷，风载荷，加注管路载荷。其中，需考虑加注管路迎风面积，折合到桁架受载载荷。加注管路与摆杆桁架布置图如图7所示。
图6 摆杆有限元模型
图7 加注管路铺设图
4.1 前、后段桁架强度失效X1
前、后段桁架有限元计算结果，如图8所示。桁架最大应力S1为133 MPa，桁架材料屈服强度[σs]为：345 MPa，安全系数为：[σs]/S1=2.6，满足安全系数大于2倍的使用要求。
图8 桁架应力云图
4.2 连接叉扣强度失效X2
连接叉扣分为连接叉扣(单耳)、连接叉扣(双耳)，从桁架计算中提取4处连接叉扣处轴向载荷，作为连接叉扣计算载荷输入。如图9所示，轴向最大拉载荷为：74240 N；轴向最大压载荷为：131900 N。
图9 连接叉扣区域桁架轴力
4.2.1 连接叉扣(单耳)
利用Ansys Workbench中Bearing Load方法，在轴孔处沿轴向施加余弦载荷，经有限元分析计算，连接叉扣(单耳)如图10所示。最大拉应力值S2为：142.2 MPa，材料屈服强度[σs]为：345 MPa，安全系数为：[σs]/S2=2.4；最大压应力值S3为：157.3 MPa，安全系数为：[σs]/S3=2.2。满足安全系数大于2倍的使用要求。
图10 连接叉扣(单耳)应力云图
4.2.2 连接叉扣(双耳)
连接叉扣(双耳)应力云图如图11所示。最大拉应力值S4为：127.2 MPa，材料屈服强度[σs]为：345 MPa，安全系数为：[σs]/S4=2.7；最大压应力值S5为：64.3 MPa，安全系数为：[σs]/S5=5.4。满足安全系数大于2倍的使用要求。
图11 连接叉扣(双耳)应力云图
4.2.3 销轴
参考《机械设计手册2卷》[8]，销轴的剪切应力公式为：
τ=F/2/(πd2/4)
(1)
其中，F为轴向作用力，d为销轴直径(Φ40 mm)。
塑性材料剪切应力许用值 [τ]公式为：
[τ]=(0.5～0.7)[σs]
(2)
摆杆桁架销轴材料 [σs]为：835 MPa，式(2)系数取0.5，则[τ]为：417.5 MPa。
受拉工况计算：F1为轴向受拉力，F1为7.027×104N；数据代入式(1)：τ1=28 MPa。安全系数为：[τ]/τ1=12.32，满足安全系数大于2倍的使用要求。
受压工况计算：F2为轴向受压力，F2为1.319×105N 。数据代入式(1)：τ2=52.5 MPa。安全系数为：[τ]/τ2=7.95；满足安全系数大于2倍的使用要求。
4.3 吊耳强度失效X3
从桁架计算中提取拉索拉力为：103400 N。建立吊耳、连接轴有限元模型，采用吊耳、连接轴接触算法，如图12所示。
图12 有限元模型图
有限元计算结果如图13所示。最大应力S6为：120.4 MPa，材料[σs]为345 MPa，安全系数：[σs]/S6=2.87，满足安全系数大于2倍的使用要求。
图13 应力云图
4.4 前、后桁架压杆失稳失效X4
利用Abaqus软件中提供的Lanczos法[9]，计算桁架屈曲失稳。取前4阶，如图14所示。前4阶特征值如表1所示，绝对值均大于1，不存在失稳可能，满足使用要求。
图14 前4阶模态图
表1 前4阶特征值
4.5 桁架变形量过大X5
桁架变形量有限元计算结果，包括综合变形(U)，X方向(U1)，Y方向(U2)，Z方向(U3)，如图15所示。各方向最大变形量如表2所示，均小于250 mm，满足使用要求。
图15 摆杆桁架变形量
表2 摆杆桁架变形量
4.6 拉索强度失效X6
有限元提取摆杆2根拉索拉力值，如图16所示。拉索拉力值分别为：59.2 kN、73.7 kN，远小于拉索破断力663 kN，满足使用要求。
图16 摆杆拉索拉力值
5 结论
本文采用FTA方法，对某型发射平台摆杆桁架结构进行分析，对桁架失效的原因进行了汇总、归纳，并结合有限元软件和理论计算对底事件进行分析。针对摆杆桁架结构设计有以下建议：
1)适当增加摆杆桁架横截矩形面积，可增大抗弯截面模量，提高摆杆抗弯能力。
2)摆杆桁架有限元计算中，如需宏观检查整体刚、强度，可采用梁单元建模，减少计算量；如需局部检查连接结构强度(例如连接销轴、拉索吊耳等)，可采用实体建模。
3)摆杆桁架腹桁杆方向布置：腹桁杆承压性能优于承拉。如按本文中摆杆腹桁杆布置形式，腹桁杆受压，需考核压杆稳定性，也可将腹桁杆布置成受拉，避免压杆失稳，但腹桁杆承拉性能差。
4)摆杆桁架由于是长桁架结构，变形量较大，可增加拉索等措施，提高整体刚度，避免因变形量过大影响使用。
