全箭铁路运输组合化工装结构探究
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摘要：为了满足航空运载飞行器全箭铁路运输的高强度、大负载和高安全可靠性的要求，本文采用有限元静力学结构强度分析与静力学试验结合的设计方法，利用现有箭体结构及保温运输箱接口，设计了一种组合化的工装结构。该工装结构使得全箭具有适应铁路运输的大过载能力，合理地分配了全箭运输过程中箭体所受到的过载力，保证了全箭铁路运输的高可靠性及安全性。
关键词：工装结构；组合化；大负载；高强度
为了缩短技术阵地准备时间，提高航天运载飞行器的快速响应能力，目前部分航空运载飞行器采用全箭铁路运输快速进厂方案，该方案需要在保温运输箱空间、固定限制装置技术、箭体结构等诸多因素的限制下，满足全箭在1g的过载工况下铁路运输的要求，且需要保证全箭铁路运输的安全性。为了实现该运输方案，本文利用现有箭体结构及保温运输箱接口，设计了一种大负载、高强度的转接工装结构，通过工装与箭体及保温运输箱的连接，实现飞行器在保温运输箱内的安装固定，并通过固定限制装置对工装进行加载限制，转而化解运输过载工况给全箭产品质量带来的运输风险。
1组合化工装结构设计
1.1设计原则
根据全箭铁路运输的相关指标及成本要求，本文设计的组合化工装结构满足以下几点设计原则：（1）在满足全箭铁路运输要求的前提下，按照低成本、轻量化原则进行设计；（2）在全箭铁路运输过程中可重复使用；（3）与运载飞行器、保温运输箱间具有良好的装配工艺性。
1.2工装结构设计
本文设计的组合工装由凸块、金属支架和毛毡三部分组成，如图1所示。在全箭出厂前，将凸块插入舱段前端框安装孔，通过过Q/Y70.4-2001螺栓进行连接，然后将金属支架与凸块进行连接，金属支架与每个凸块间通过4个Q/Dy1398.1-2014GH4169抗剪螺栓进行连接。组合工装安装后，全箭起吊转运至铁路保温运输箱内，保证保温运输箱底部的定位销落入工装底部的定位销长圆孔，启动保温运输箱夹紧装置，夹紧装置与组合工装夹持面接触，轴向夹紧组合工装。其中，凸块材料选用低合金铸钢ZG35CrMnSi，采用机加的工艺进行加工；金属支架包括弧板及网格加筋主结构。材料选用低合金铸钢ZG35CrMnSi，采用一体化铸造+机加的工艺进行加工；毛毡材料选用FZ/T25001-2012，毛毡与金属支架采用HG6-415-79橡胶液进行黏接。
2有限元静力学分析
本文采用了有限元静力学仿真分析手段对本文设计的全箭铁路运输工装结构进行强度校核，在明确载荷条件与边界条件后，通过有限元模型分析该工装在启动加速（载荷方向为舱段前端面指向后端面）和刹车减速（载荷方向为舱段后端面指向前端面）这两种工况下的性能。
2.1有限元模型
有限元仿真分析过程中，采用的模型如图2所示，包括发动机模拟边界模型、舱段简化模型和组合化工装模型。
2.2载荷、边界条件
载荷条件：（1）全箭重量取38.5t；（2）全箭铁路运输轴向加速度取1g；（3）全箭铁路运输组合化工装设计安全系数取1.5。因此，在发动机模拟边界模型前端面参考点处施加57.75t（38.5t×1g×1.5）的轴向过载载荷，同时约束参考点除箭轴方向自由度以外的其他所有自由度。边界条件：约束定位销孔和工装上的夹紧装置接触面，仅保留其竖直方向的自由度。
2.3分析结论
基于前文所示的有限元模型和载荷与边界条件，分析了启动和刹车两种工况下舱段对称模型和组合工装的整体位移云图，并分别得出各项指标的分析数据，如表1所示。通过表1的数据可以得到本文所设计工装结构的强度校核情况，包括以下两点：（1）启动、刹车工况下，舱段最大应力为317MPa，最大位移为1.5mm，结构未发生塑性变形，满足强度要求。（2）启动、刹车工况下，金属支架和凸块除连接螺栓孔周局部发生塑性变形外，其他区域均未发生塑性变形；金属支架与凸块连接螺栓的最大等效塑性应变为1.8%，螺栓的延伸率为12%，满足强度要求。
3舱段运输支点强度试验
为了进一步验证本文所设计工装结构的高强度与大负载的性能，本文按照实际的安装状态及加载条件进行舱段运输支点强度试验，如图3所示，具体流程为先做启动、加速工况，后做刹车、减速工况，试验中的载荷加载级别如表2所示。试验中，第7级是使用载荷，第8级是考虑全箭静摩擦的设计载荷，第11级是设计载荷。在正式试验前，进行预示试验，加载至第3级，然后卸载，进行正式试验。逐级加载到第7级，检查组合工装是否有破坏或其他异常，如无问题，继续加载至第11级停止加载。加载过程中测量结构的应力、应变及位移。试验过程中，组合工装无破坏、损伤及其他异常现象，组合工装结构的应力、应变及位移的变化量在允许范围内。经试验验证，全箭铁路运输组合工装设计方案正确、合理可行，满足强度要求。
4结语
经过有限元静力学仿真分析和静力学试验验证，本文所设计的全箭铁路运输组合工装合理可行，满足强度和负载要求。该方案能够使得全箭具有适应铁路运输的大过载能力，能够保证全箭铁路运输的高可靠性及安全性。
参考文献：
[1]喻莹,许贤,罗尧治.基于有限质点法的结构动力非线性行为分析[J].工程力学,2012,29(6):63-69.
[2]胡强,曲激婷,关增伟.基于向量式有限元的结构静力分析[J].沈阳大学学报(自然科学版),2017,29(2):158-162.
作者:于霖 盛希 单位:北京宇航系统工程研究所
