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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

现代机械 2021年1期
关键词:摆杆吊耳拉索

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。

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