火箭海上发射起竖装置结构设计及强度校核.pdf

第4 5卷第2 1期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023火箭海上发射起竖装置结构设计及强度校核冯会方12，张剑12，卢丙举12，魏建峰1.2(1.中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南郑州4 50 0 15；2.河南省水下智能装备重点实验室，河南郑州4 50 0 15)摘要：针对海上发射火箭的需求，设计了一种采用电动缸双缸驱动的火箭起竖装置，其主要包括起竖架、支承装置、锁紧装置、电动缸等。该起竖架采用两点支撑火箭，可避免结构变形对箭体的影响。建立了起竖装置的三维模型，并对起竖架进行强度校核，分析了不同支撑距离下起竖架的变形量和应力。分析结果表明，所设计的起竖装置结构合理，在起竖过程中结构变形较小，可以满足火箭起竖的要求。关键词：起竖装置；有限元；结构设计；强度校核中图分类号：TH13文章编号：16 7 2-7 6 4 9(2 0 2 3)2 1-0 0 39-0 5Structural design and strength verification of erection device for offshore launching rocket2.Henan Key Laboratory of Underwater Intelligence Equipment,Zhengzhou 450015,China)Abstract:In order to meet the requirement of launching rocket at sea,a rocket erecting device driven by electric cylin-der double cylinders is designed,which mainly includes erecting frame,supporting device,locking device,electric cylinder,etc.The erecting frame adopts two points to support the rocket,which can avoid the influence of structural deformation onthe rocket body.The three-dimensional model of the erecting device is established,the strength of the erecting frame ischecked,and the deformation and stress of the erecting frame under different support distances angles are analyzed.The ana-lysis results show that the structure of the erecting device designed is reasonable,and the structural deformation is small dur-ing the erecting process,which can meet the requirements of rocket erecting.Key words:erection device;finite element;structural design;strength check0引言火箭发射主要有陆基发射和海上发射2 种模式。与传统的陆基发射相比，海上发射免去了坠落物对地面人员财产造成威胁的风险。同时，这种方法也允许在赤道附近发射，大大增加了火箭运载能力，降低了发射成本，延长了卫星的寿命2 。起竖装置是火箭海上发射的关键装置。国内外火箭起竖的方式主要有缆绳起竖和缸起竖2 种方式3。缆绳起竖是通过电机驱动卷筒缠绕钢丝绳，将火箭竖起，需要安装大型起竖塔以固定天轮，这使得整体结构占地空间大。液压缸起竖采用液压缸驱动，具有推力大、占地空间小等优点，在民用与军用中都得到普遍收稿日期：2 0 2 2-11-12作者简介：冯会方（19 9 5），女，硕士，助理工程师，研究方向为发射装置设计。文献标识码：AFENG Hui-fang2,ZHANG Jian2,LU Bing-ju2,WEI Jian-feng?(1.The 713th Research Institute of CSIC,Zhengzhou 450015,China;doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.007应用4-5，但存在可靠性差、维护难度大以及多缸同步难度大等缺点。电动缸具有高度集成化、精度高、可靠性高、便于维护、噪声小、控制简单等优点，常用于车载起竖平台 6-7。目前重载电动缸的推力可达50 0 t，可以用于大型火箭的起竖。参照国内外火箭及重型导弹的起竖方式，综合考虑海上发射工况，本文设计一种采用电动缸双缸起竖的起竖装置，利用SolidWorks三维软件建立了起竖装置的三维模型，校核了起竖架和锁紧装置的强度，为火箭海上发射起竖装置的设计提供参考。1起竖装置的载荷和功能起竖装置的功能是承载火箭，并在规定时间内将40火箭起竖至竖直状态。根据某型号火箭的参数，起竖装置需满足以下设计要求8：1）承载火箭长度不低于50 m，运载火箭的质量不低于4 7 t，起竖过程中不能破坏箭体的结构；2）起竖角度在0 90 范围内，起竖垂直度为90 15;3）起竖装置具有锁紧箭体的功能，能够在运输与起竖过程中抱紧箭体。2起竖装置结构设计2.1总体设计如图1所示，起竖装置处于运输车和火箭之间。利用运输车将火箭运送到发射位置，然后利用电动缸将起竖架连同火箭举升起竖到竖直位置。起竖装置主要包括起竖架、锁紧装置、电动缸、支承装置等。支承装置1与起竖架固定连接，并通过螺栓与箭体连接，防止火箭起竖中发生滑移；支承装置2 与起竖架滑动连接，可以根据火箭的长度调整与支承装置1之间的距离；锁紧装置与支承装置2 铰接，通过电动缸实现锁紧功能。起竖架采用框架式结构，根据火箭的长度、质心位置，采用两点支撑方式，可避免悬臂梁变形对箭体的影响。火箭锁紧装置支承装置2 运输车起竖架支承装置1(a)起竖装置与箭体和运输车的连接关系支承装置2支承装置1舰船科学技术Tab.1Electric cylinder parameters名称额定推力/kN额定静载/kN伺服电机功率/kW额定转速/rmin-1丝杆直径/mm缸筒外径/mm有效行程/mm额定速度/mms-l2.2起竖架结构设计起竖架是火箭的承载体。根据火箭的质量、质心、长度以及电动缸支撑点的位置，利用SolidWorks软件设计了起竖架的三维结构9-10 。如图2 所示，起竖架采用框架结构，其内部由边梁、横梁、加强筋焊接而成。边梁位于起竖架的最外侧，加强筋的外形尺寸与起竖架边梁尺寸相同。为了减轻起竖架的质量，在边梁和加强筋采用镂空结构，其上设置了圆形和长方形等不同类型的孔。通过3组横梁将把两侧的边梁和中间的加强筋联系成刚性构架，每组横梁由相距220mm的钢板组成。起竖架选用高强度结构用钢Q550D，质量38.5t，总长2 7 m，宽度为3m，在不同电动缸1m抱箍第4 5卷表1电动缸参数起竖电动缸16002.400251500270（一级）/190（二级）45050208.8m27m锁紧电动缸30451100032100200202m起竖架(a)外形图横梁3(b)起竖装置三维模型图1起竖装置的总体结构Fig.1Overall structure of erection mechanism如表1所示，起竖电动缸采用两级结构，缸筒外径为4 50 mm，一级和二级丝杠的直径分别为2 7 0 mm和19 0 mm，行程为50 2 0 mm，伺服电机的功率为2 5kW，额定推力为16 0 0 kN，额定速度8.8 mm/s；锁紧电动缸采用一级结构，行程为2 0 0 mm，伺服电机的功率为1kW，额定推力为30 kN，额定速度2 0 mm/s。横梁2横梁1回转中心边梁加强筋(b)内部结构图图2 起竖架三维结构Fig.2The 3D structure of erection frame第4 5卷阶段边梁的高度分别为2.5m、1.6 m、1.0 m。起竖架的各部分尺寸见表2。考虑到距离回转中心越近，剪力与弯矩越大，回转中心至横梁3的加强筋厚度为20mm，横梁3至顶端的厚度为10 mm。表2 起竖架各部分尺寸Tab.2Dimension of each part of the erection frame回转中心-横梁1横梁1-横梁2横梁2-横梁3横梁3-顶端类型长度厚度长度厚度长度厚度长度 厚度边梁3850加强筋38502.3支承装置结构设计支承装置处于箭体和起竖架之间，起到支撑和固定箭体的作用。箭体采用两点来支撑，支承装置1与箭体通过螺栓连接，支承装置2 通过锁紧装置抱紧箭体，二者均通过16 个M56的地脚螺栓与起竖架固定连接。在起竖过程中，支承装置1和承装置2 的受力不同。当箭体处于水平时，支承装置1不仅要承受火箭的径向载荷，还承受轴向的载荷，当起竖至90 时，箭体的重量全部由支承装置1承受。在起竖过程中，支承装置2 只承受火箭的径向载荷。当箭体处于水平状态时，支承装置2 的最大载荷为2 4 t。如图3所示，在支承装置2 外侧增设了多条肋板，支承装置外形尺寸3m2m1.5m，材料为2 0 mm厚的316 L不锈钢，质量为2.1t；支承装置2 的外形尺寸为3m2m1.5m，材料为15mm厚的合金钢板，质量为1.2 t，并留有抱箍和电动缸的接口。2.4锁紧装置结构设计锁紧装置安装在支承装置2 上，其由抱箍、电动缸组成，结构如图4 所示。抱箍的张开和抱紧动作由电动缸控制。起竖及运输过程中，抱箍锁紧，电动缸断电制动。起竖完成后电动缸驱动抱箍打开，起竖架与箭体完成分离。2个抱箍的工作空间位于芯二级与助推器之间，完全张开时不会与助推火箭产生干涉。选取最不利的工况进行设计，最大载荷Fa是火箭在90+2 产生的载荷，火箭对单个抱箍的作用力大小为2 0 kN，方向沿火箭形心指向压箭板。3起竖架强度校核3.1起竖架有限元建模SolidWorks Simulation是一款基于有限元技术的设冯会方，等：火箭海上发射起竖装置结构设计及强度校核157885152078852041(a)支承装置1823510700010823520700010(b)支承装置2图3支承装置1Fig.3The supporting device1压箭板支承装置2F=Fsin2F,-F.cos45图4 锁紧装置及受力示意图Fig.4Locking device and force diagram计分析软件，与SolidWorks无缝集成，可以快速、准确的对模型进行应力分析、应变分析、优化分析和动抱箍电动缸Fa=F.cos4542力学分析I1-12。在火箭起竖过程中，起竖架的受力最大且变化。为验证起竖架结构设计的合理性，采用SolidWorks Simulation对其进行强度校核。设置起竖架的材料为钢Q550D，支承装置的材料为316 L不锈钢，力学性能见表3。SolidWorksSimula-tion具有自动划分网格的功能，对起竖架、支承装置进行整体划分，网格控制参数如表4 所示。共生成115789个节点，划分58 0 6 4 个单元，网格质量良好，无错误、警告网格。起竖架、支承装置的网格划分见图5。表3材料性能参数表Tab.3 Table of material performance parameters弹性模量牌号泊松比/E:GPal/T:mm3Q550D210316L不锈钢206表4 网格控制参数表Tab.4 Grid control parameter table名称网格类型起竖架实体网格支承装置实体网格图5起竖架和支承装置的网格划分图Fig.5Grid division diagram of erecting frame and support device火箭的重力通过2 个支承装置作用到起竖架上，此外起竖架还受到自身重力。在水平状态下起竖架的受力最大，产生的变形也最大。如图6 所示，将火箭的重量分布在2 个支承装置的法面上，分别为2 30 kN和2 4 0 kN，并在起竖架尾部回转中心、电动缸上铰点230kN240kN火箭质心+SO4m21-22.m图6 起竖架的载荷Fig,6Load of erecting frame舰船科学技术支承处施加活动铰链约束。3.2不同支撑距离下起竖架强度分析图7 为改变两支承装置之间的距离L，得到的起竖架结构变形量和应力云图。表5和表6 为不同支撑距离下起竖架关键点的形变量和应变量。可见，起竖架最大应力发生在电动缸上铰点与起竖架连接的地方，最大应力为132.3MPa，屈服强度满足设计要求；最大变形量发生在L=22m时，此时支撑点2 的形变量为43.63mm，变形量从顶部向下逐渐减小。由于箭体采用两点支撑的方式，起竖架的形变不会对箭体造成破环，所设计的起竖架满足设计要求。表5不同支撑距离下起竖架上关键点的形变量密度屈服极限抗拉强度/Mpa/Mpa0.378700.37980单元大小200170第4 5卷Tab.5 Shape variation of key points on the erection frameat different support distances550670269.1603.5比率1.41.4O位置21.0m21.5 m22.0m表6 不同支撑距离下起竖架上关键点的应变量Tab.6Strain of key points on the erecting frame atdifferent support distances位置最大应力/MPa21.0m129.521.5m13122.0 m132.34结语在海上发射火箭可增强火箭运载能力，并降低发射成本。针对海上发射大型火箭的需求，本文提出一种采用电动缸双缸驱动的起竖装置。设计了起竖装置的结构，建立了三维模型，并对起竖架开展了有限元分析和强度校核。研究表明，该起竖装置结构设计合理，具有重量轻、变形小等优点，可以满足大型火箭起竖的要求。参考文献：【1】郝浩浩，韩端锋，高良田，等.基于近似模型的海上发射船船型优化J.船舶工程,2 0 17,39(7):1-5+54.【2 李同玉，彭昆雅.中国首次海上发射技术试验综述1.中国航天,2 0 19(6):6-12.支承点238.84143.6顶端444546位置电动缸上铰点电动缸上铰点电动缸上铰点第4 5卷von Mises/N-mm-2-MPa129.5116.5103.690.6477.764.7551.8138.8725.9312.990.04586屈服力：6 2 0.4von Mises/Nmm-2MPa131117.9104.891.7178.6165.5152.4139.3226.2213.120.02221屈服力：6 2 0.4von Mises/N-mm-2.MPa132.3119.0105.892.5879.3666.1452.9239.6926.4713.250.02214屈服力：6 2 0.4Fig.7 Stress and deformation diagram of support frame under different support distances【3】朱勇强，王鑫，乐贵高.运载火箭海上动平台起竖系统动力学建模与仿真J.机床与液压，2 0 19,4 7(2 0)：10 4-10 9.【4】黄先祥，马长林，高钦和，等.大型装置起竖系统协同仿真研究.系统仿真学报,2 0 0 7,19(1):1-2+2 5.5高钦和.大型装置起竖过程的电液比例控制研究.机械工程学报,2 0 0 4,4 0(2):18 9-192.6赵旭昌，刘海阳,刘佑民，等.并联双电动缸同步控制策略研究及实现方法J.导弹与航天运载技术,2 0 2 2(3):119-12 2+128.【7 邓飙，张潇，郭君斌，郭杨.双电动缸起竖设备同步控制策略仿真研究J.机床与液压，2 0 16,4 1(9)：12 3-12 8.冯会方，等：火箭海上发射起竖装置结构设计及强度校核Max:129.5X位置:2.5e+04mm17.6Y位置:-515mm13.2Z位置:2.6 8 e+04mm8.79数值：38.8 mm4.40.000235(a)L=21.0 mURES/mmMax:454540.53631.527Max:13122.51813.594.50.000235(b)L=21.5 mURES/mmMax:464641.436.832.227.6Max:132.32318.413.89.214.60.000239(c)L=22.0 m图7 不同支撑距离下起竖架的应力与形变云图8姚晓光，郭晓松，冯永保，等.导弹起竖过程的载荷研究兵工学报,2 0 0 8,2 9(6):7 18-7 2 2.9容琼.基于SolidWorks的船舶结构强度评估分析方法研究.舰船科学技术,2 0 17,39(18):10-12.10付志伟，王奇光.基于SolidWorks的船体连接结构三维模拟仿真.舰船科学技术,2 0 2 1,4 3(2):13-15.11靳洪斌，计鑫.基于SolidWorkssimulation的液压缸活塞与活塞杆有限元分析J.机械设计，2 0 2 0,37(S1)：17 6-17 9.12李立明，贾国宪，袁恩岭.基于SolidWorks Simulation液压支架平衡千斤顶铰接销轴有限元分析J.煤矿机械，2 0 12,33(12):8688.43URES/mmMax:444439.635.230.826.422节：16 16 7节：7 4 51X位置:2.55e+04mmY位置：-52 0 mmZ位置:2.6 7 e+04mm数值：4 1mm节：16 7 57X位置:2.6 1e+04mmY位置:-57 8 mmZ位置:2.6 5e+04mm数值4 3.6 mmMax:132.3