整流罩快速对接设计及其结构特性分析

张元 范华平 蒋小寒 李奚晗

摘 要：基于整流罩对接结构的特点，针对需要缩短对接时间的要求，设计了一种锁紧钩爪形式的整流罩对接结构。与现有整流罩的螺栓连接结构相比，该整流罩的连接结构可以通过齿轮齿条带动锁紧钩爪进行连接，有效地提高了整流罩对接速度。以新型整流罩对接结构为研究对象，建立该连接结构的三维模型，应用ANSYS Workbench有限元分析软件，对单个整流罩连接结构进行结构特性分析。研究结果表明：该快速连接结构与现有整流罩的螺栓连接结构相比，不仅能够满足导弹在发射过程中振动环境的要求，而且有效减少了74%的对接时间。

关键词：整流罩;快速对接;结构特性;模态分析;随机振动

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.009

中圖分类号： TH122

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）02-0053-06

Abstract：Based on the characteristics of fairing structure docking， in order to shorten the time required for docking， a locking claw form fairing butt joint structure has been designed. Compared with the existing fairing bolt connection， the new connection structure of the fairing can drive the connecting locking hook through the gear rack， effectively improve the fairing docking speed. Threedimensional model of the connection structure has been established based on the new fairing connection structure， applying ANSYS Workbench finite element analysis software， the single fairing connection structure analysis of structural characteristics. The results show that： compared with structure with existing fairing connection， the new fast connection can not only meet the environmental vibration during payload launching and docking speed requirements， but also reduce the docking time by 74%.

Keywords：fairing; fast docking; structural characteristics; modal analysis; random vibration

收稿日期： 2016-11-27

基金项目： 国家自然科学基金（51375125）.

作者简介：

范华平（1991—），男，硕士研究生;

蒋小寒（1994—），女，硕士研究生.

通信作者：

张 元（1966—），男，教授，硕士研究生导师，Email：zhangyuan1966@163.com.

0 引 言

整流罩是用于保护其内部有效载荷，防止有效载荷在通过大气层时受气动力、气动热及声振等有害环境的影响，是整个装置的重要组成部件[1]。在技术准备和日常维护使用过程中，整流罩需要经过多次拆装，其作业时长是有效载荷维修的一项重要指标[2]。

目前整流罩的对接是采用螺栓进行径向连接的方法，螺栓数量较多，拆装时间长，工作量大，很大程度上限制了对接的快速性。随着武器装备技术的发展，我国在缩短有效载荷维护时间上取得了一定的进展[3]。 本文参考了现有的整流罩对接结构，分析了其结构特点和设计要求，优化设计出一种锁紧钩爪形式的整流罩快速对接结构。

整流罩对接是将整流罩和分导舱的连接框加工成圆柱形的内、外表面，连接位置的螺栓孔设计有内螺纹，通过大型吊装设备进行轴向对接，然后调整周向位置对准螺栓孔，最后拧紧多个径向螺栓进行连接固定[4-5]，如图1、2所示。径向螺栓连接的结构形式相对简单，承载能力强，相对容易进行装配加工[6]。除此之外，还有多种连接方式，由于多种原因，很少应用于整流罩对接连接上[7]。现有整流罩对接结构如图1所示。

1 设计方案

1.1 工作原理

新型整流罩对接方案采用锁紧钩爪形式的连接结构。在整流罩内圈安装有支撑结构，并在该结构上设计有凸轮槽的圆环。圆环上部安装有齿轮齿条，下部有凸轮槽环。将整流罩对心插入分导舱后，拧动齿轮，通过齿条的传递带动圆环的旋转，当锁紧钩爪落入圆环凸轮槽的最低位置时，在扭力弹簧的作用下可实现锁紧钩爪与承载沟槽的分离，继续转动齿轮时，锁紧钩爪到达凸轮槽的最高位置，无法继续转动，此时完成锁紧对接。这样可以通过转动一个齿轮来带动所有钩爪的锁紧与张开，从而达到快速对接的目的。同时，在与整流罩对接的分导舱上增加一个承载沟槽，用以实现与锁紧钩爪的对接配合，如图3、4所示。

1.2 设计结果

新型整流罩快速对接结构，通过齿轮的转动实现整流罩上的锁紧钩爪与分导舱的快速对接，与现有的径向螺栓连接相比，具有以下优点：

1）在复杂性方面，整流罩对心插入分导舱可直接锁紧，无需径向定心，降低了对接时所要求的的定位精度;

2）在可靠性方面，锁紧钩爪采用倾斜方式进行锁紧，在轴向锁紧的同时产生径向分力，连接稳定、可靠;

3）在时间方面，由于锁紧钩爪的接触面大，能够承受更多的轴向力，因此锁紧钩爪的数量相对较少。现有整流罩连接结构需要拧紧多个螺栓，而锁紧钩爪形式的连接结构只需要拧动一个齿轮便可实现所有钩爪同时完成对接工作，极大地提高了整流罩的对接速度。

2 快速性检验

整流罩的轴向对准一般采用大型吊装设备完成，时间比较固定，且新型整流罩快速连接机构采用了36个锁紧钩爪，无需径向定心。本文的新型对接结构由一个齿轮同时带动所有钩爪完成对接，考虑到齿轮传动效率问题，将其按照拧紧一个螺栓用时的三倍时间进行粗略估算。因此，新型结构所需要的时间分别为

通过与现有整流罩连接结构对比分析，新型连接机构的时间效率η为

综上所述，新型整流罩快速连接机构大大提高了整流罩连接的速率，减少了地面操作人员的工作量，为导弹的快速维护和装配提供了技术支持。

3 结构特性分析

由于有效载荷在工作过程中会受发动机工作和外部气流波动的影响，会使整流罩产生随机振动，这直接关系到整个对接结构的可靠性与使用寿命。因此，针对整流罩对接结构的振动特点，采用ANSYS动力学分析理论，对连接结构进行模态分析、随机振动分析和谐响应分析，为整流罩对接结构的振动分析提供一种理论分析方法。

3.1 有限元振动分析原理

根据振动分析理论，一个多自由度系统的二阶振动微分方程表达式为

该方程的解为：

3.2 模型的处理

根据新型整流罩快速连接结构的特点，本文选取了单个整流罩连接结构进行有限元分析。将Creo3.0建立的整流罩快速连接结构模型导入ANSYS Workbench 15.0中，对接结构的材料均采用结构钢，通过划分网格等得到相关参数，材料参数如表1所示。

利用ANSYS Workbench 15.0软件，采用四面体线性单元类型，对新型整流罩快速连接结构进行智能网格划分，生成10047个节点和5227个单元。因扭簧的尺寸和受力较小，对整流罩快速连接结构的影响较小，但很大程度上影响网格的划分质量，故本文对其做忽略处理。单个整流罩快速连接结构网格划分如图5所示。

3.3 模态分析

模态分析是最基本的动力学分析，是计算结构振动特性的基础，结构振动特性包括固有频率和振型[11-17]。本文对单个整流罩的对接结构进行了前4阶模态分析，获得其固有频率和振型图，从而有效地避免整流罩对接结构产生共振，前四阶变形云图如图6所示。

由图6可见，在前4阶模态分析中，单个整流罩快速对接结构的固有频率随着阶数的增加而不断增大，前两阶的固有频率相差较小，后两阶相差较大。因此，在整流罩快速连接结构设计中，应避免在2100～2400Hz范围内工作，以排除共振产生的可能性。前4阶的固有频率如表2所示。

3.4 随机振动分析

有效载荷每次工作都会在不同的时间产生振动载荷，这种载荷在多情种况下具有不确定性。因此，本文根据整流罩对接结构的随机振动环境，利用ANSYS Workbench 15.0软件对单个对接结构进行 3个方向的随机振动分析，得到其不同方向的位移云图，如图7所示。

从图7中可以看出在X、Y、Z 3个不同方向进行随机振动分析时，X方向产生的应变最大，应变值为2.2×10-7mm，符合对接结构的强度要求，保证了整流罩快速连接结构的可靠性。不同方向的随机振动分析结果如表3所示。

3.5 谐响应分析

谐响应分析是分析结构在不同频率作用下的响应，可有效避免整流罩对接结构产生共振。根据模态分析和随机振动分析的结果，本文在锁紧钩爪3个不同方向施加简谐力，选定频率范围为0～3500Hz，步长为40Hz。  3个方向的频率-振幅变化曲线如图8所示。

4 结 论

针对整流罩快速对接的需求，本文根据整流罩连接结构的特点，设计了一种锁紧钩爪形式的新型整流罩对接结构，可以有效地缩短整流罩对接时间。利用有限元分析的方法，对单个整流罩对接结构进行了模态分析、随机振动分析和谐响应分析的仿真研究，从分析结果中可以看出：在2100-2700Hz频率范围时，整流罩连接结构容易产生共振，振幅较大，不能够满足振动结构在工作过程中振动环境的要求，应尽量避免其在该范围内工作。本文为整流罩快速对接结构进一步的试验研究提供了理论基础.

参 考 文 献：

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（编辑：温泽宇）