基于有限元仿真技术的某型发射车承力部件应力分析*

刘涛，李志成，谢梓铿，荚周

（1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.中国人民解放军91557 部队，浙江 宁波 315000）

0 引言

导弹发射车是机动式导弹武器系统的重要支撑和发射平台，在日常训练和执行作战任务时需反复调平、起竖及承受导弹发射时巨大的作用力，易在机械结构的应力集中区域出现内部损伤，必须及时检测和识别，防止重大安全事故的发生［1］。本文以某型导弹发射车为研究对象，通过车辆结构承力分析、有限元建模仿真等方法手段，得到调平起竖过程中的结构应力云图和变形图，确定结构损伤薄弱部位，作为结构损伤检测工作的检查重点。

1 导弹发射车承力分析

某型导弹发射车承力部件主要为调平起竖装置，用于为导弹发射提供稳定的水平平台和20°的初始姿态角，其结构示意图如图1 所示。首先对调平和起竖装置进行受力分析，作为有限元仿真的数据输入［2］。

图1 发射车调平起竖装置示意图Fig.1 Schematic diagram of leveling and erecting device of launching vehicle

1.1 调平装置

发射车调平装置主要为4 个调平油缸，均匀分布在发射车的两侧，并通过安装座与底盘底梁的扭杆座相连。以车辆前部2 个调平油缸为例，图2 为调平状态平面受力图。设左前油缸支脚受到地面支撑力为Fd1，油缸外筒受到的支撑力为F1，底盘底梁的重力为Fm，油缸外筒受到Fm施加的力矩为M1。

图2 调平状态平面受力图Fig.2 Plane stress diagram of leveling state

经受力分析可得：

式中：G= 4 × 105N 为车辆重力；d1= 1.5 m；σ1为活塞杆所受应力；S为活塞杆截面积，其直径为120 mm。

得到：M1= 3 × 105N·m，

σ1= 8.846 4 × 104N m2。

1.2 起竖装置

发射车的起竖装置含两组起竖油缸和耳座铰接支撑，以其中一组为例，共3 个耳座，分别为安装在发射架的上耳座A，安装在支撑平台上的下耳座B，以及发射架和支撑平台相连的后耳座C。起竖完成后，发射筒与水平面夹角为20°，各耳座受力情况见图3。

图3 起竖后三个耳座受力图Fig.3 Stress diagram of three ear bases after lifting

根据发射筒架垂直方向受力平衡和C点力矩平衡，得到以下方程组：

式 中：FA，FB，FC分 别 为3 个 耳 座 受 力；G= 0.5 ×105N 为发射筒与发射架的重力；cosα，|FC|，|EC|可由以下方程得到：

式中：l，d分别为发射筒的长8 m、发射筒的直径1.2 m。

得到：FA=FB= 5.693 7 × 104N，

FC= 1.125 4 × 104N。

2 调平装置建模与仿真

利用solidworks 软件建立调平装置的三维模型，将该模型导入ANSYS 有限元分析软件中，如图4 所示，并通过定义材料数据、修改优化模型、工作平面转化、网格划分等步骤，得到ANSYS 网格模型，如图5 所示［3-10］。

图4 调平装置三维模型Fig.4 Three dimensional model of leveling device

图5 调平装置网格模型Fig.5 Grid model of leveling device

根据受力分析结果，对调平装置施加约束、载荷及扭矩，包括顶部和底部的固定约束、油缸外筒的应力、支撑架的扭矩等，最后进行仿真求解，结果如图6~7 所示，可以得到调平装置外表面各点的应力状态和油缸内部各点的应力状态。

图6 调平装置受力云图Fig.6 Stress nephogram of leveling device

图7 调平油缸内部受力云图Fig.7 Nephogram of internal force of leveling cylinder

由仿真结果分析得到，调平装置上半部分液压缸受到的应力范围为16.6~19.4 MPa，调平油缸的安装座与调平油缸连接处的应力范围为11.7~16.6 MPa，而液压缸的内部（被液压油充满的液压缸内壁）应力较为集中，最小的应力为16.6 MPa，最大的应力为31.1 MPa，为整个调平装置的最大应力点，是结构损伤检测的重点部位。

3 起竖装置建模与仿真

对起竖装置主要承力部件即3 个耳座进行三维建模，导入ANSYS 有限元分析软件，根据受力分析施加相应约束、载荷和力矩，并进行网格划分［11-15］。以上耳座为例，如图8~9 所示。

图8 施加约束和载荷后的上耳座Fig.8 Upper ear base with restraint and load applied

图9 上耳座网格模型Fig.9 Mesh model of upper ear base

运行求解，得到起竖过程中3 个耳座的受力云图，图10~12 分别为3 个耳座起竖10°时和起竖后的受力云图。

图10 上耳座受力云图Fig.10 Stress nephogram of upper ear base

3 个耳座的最大应力值与对应位置见表1，可以看出，3 个耳座中上耳座承受的应力最大，最大达到66.811 1 MPa。上耳座和下耳座的所受应力最大值均为圆孔处内壁，而后耳座随着起竖角度增大，其应力值最大值对应位置由耳座圆孔与销钉接触处转变为底座与肋板相接处。因此，通过仿真得到，3个耳座中上耳座为最易损伤部件，而3 个耳座的圆孔处、底座与肋板焊缝相接处是最易损伤部位，是损伤检测的重点。

表1 各耳座所受最大应力值及对应位置Table1 Maximum stress value and corresponding position of each ear base

图11 下耳座受力云图Fig.11 Stress nephogram of lower ear base

图12 后耳座受力云图Fig.12 Stress nephogram of rear ear base

4 结论

通过对发射车调平起竖装置的受力分析和有限元仿真结果分析，确定了调平起竖过程中各装置的应力分布，得到了如下结论：

（1）调平油缸所受应力大于支撑活塞杆和连接基座，且最大应力出现在液压缸内侧；

（2）起竖装置中三个耳座中，上耳座承受应力最大，而每个耳座的圆孔处、底座与肋板焊缝相接处是最易损伤部位。

通过有限元仿真得到发射车调平起竖装置的最易损部位，为机械结构损伤检测工作提供了重要的规划依据。及时检测机械结构损伤的发生，预防重大安全事故，对保持装备完好性具有显著的军事意义。