鐵路運輸組合化工裝結構探究
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摘要：為了滿足航空運載飛行器全箭鐵路運輸的高強度、大負載和高安全可靠性的要求，本文采用有限元靜力學結構強度分析與靜力學試驗結合的設計方法，利用現有箭體結構及保溫運輸箱接口，設計了一種組合化的工裝結構。該工裝結構使得全箭具有適應鐵路運輸的大過載能力，合理地分配了全箭運輸過程中箭體所受到的過載力，保證了全箭鐵路運輸的高可靠性及安全性。
關鍵詞：工裝結構；組合化；大負載；高強度
為了縮短技術陣地準備時間，提高航天運載飛行器的快速響應能力，目前部分航空運載飛行器采用全箭鐵路運輸快速進廠方案，該方案需要在保溫運輸箱空間、固定限制裝置技術、箭體結構等諸多因素的限制下，滿足全箭在1g的過載工況下鐵路運輸的要求，且需要保證全箭鐵路運輸的安全性。為了實現該運輸方案，本文利用現有箭體結構及保溫運輸箱接口，設計了一種大負載、高強度的轉接工裝結構，通過工裝與箭體及保溫運輸箱的連接，實現飛行器在保溫運輸箱內的安裝固定，并通過固定限制裝置對工裝進行加載限制，轉而化解運輸過載工況給全箭產品質量帶來的運輸風險。
1組合化工裝結構設計
1.1設計原則
根據全箭鐵路運輸的相關指標及成本要求，本文設計的組合化工裝結構滿足以下幾點設計原則：（1）在滿足全箭鐵路運輸要求的前提下，按照低成本、輕量化原則進行設計；（2）在全箭鐵路運輸過程中可重復使用；（3）與運載飛行器、保溫運輸箱間具有良好的裝配工藝性。
1.2工裝結構設計
本文設計的組合工裝由凸塊、金屬支架和毛氈三部分組成，如圖1所示。在全箭出廠前，將凸塊插入艙段前端框安裝孔，通過過Q/Y70.4-2001螺栓進行連接，然后將金屬支架與凸塊進行連接，金屬支架與每個凸塊間通過4個Q/Dy1398.1-2014GH4169抗剪螺栓進行連接。組合工裝安裝后，全箭起吊轉運至鐵路保溫運輸箱內，保證保溫運輸箱底部的定位銷落入工裝底部的定位銷長圓孔，啟動保溫運輸箱夾緊裝置，夾緊裝置與組合工裝夾持面接觸，軸向夾緊組合工裝。其中，凸塊材料選用低合金鑄鋼ZG35CrMnSi，采用機加的工藝進行加工；金屬支架包括弧板及網格加筋主結構。材料選用低合金鑄鋼ZG35CrMnSi，采用一體化鑄造+機加的工藝進行加工；毛氈材料選用FZ/T25001-2012，毛氈與金屬支架采用HG6-415-79橡膠液進行黏接。
2有限元靜力學分析
本文采用了有限元靜力學仿真分析手段對本文設計的全箭鐵路運輸工裝結構進行強度校核，在明確載荷條件與邊界條件后，通過有限元模型分析該工裝在啟動加速（載荷方向為艙段前端面指向后端面）和剎車減速（載荷方向為艙段后端面指向前端面）這兩種工況下的性能。
2.1有限元模型
有限元仿真分析過程中，采用的模型如圖2所示，包括發動機模擬邊界模型、艙段簡化模型和組合化工裝模型。
2.2載荷、邊界條件
載荷條件：（1）全箭重量取38.5t；（2）全箭鐵路運輸軸向加速度取1g；（3）全箭鐵路運輸組合化工裝設計安全系數取1.5。因此，在發動機模擬邊界模型前端面參考點處施加57.75t（38.5t×1g×1.5）的軸向過載載荷，同時約束參考點除箭軸方向自由度以外的其他所有自由度。邊界條件：約束定位銷孔和工裝上的夾緊裝置接觸面，僅保留其豎直方向的自由度。
2.3分析結論
基于前文所示的有限元模型和載荷與邊界條件，分析了啟動和剎車兩種工況下艙段對稱模型和組合工裝的整體位移云圖，并分別得出各項指標的分析數據，如表1所示。通過表1的數據可以得到本文所設計工裝結構的強度校核情況，包括以下兩點：（1）啟動、剎車工況下，艙段最大應力為317MPa，最大位移為1.5mm，結構未發生塑性變形，滿足強度要求。（2）啟動、剎車工況下，金屬支架和凸塊除連接螺栓孔周局部發生塑性變形外，其他區域均未發生塑性變形；金屬支架與凸塊連接螺栓的最大等效塑性應變為1.8%，螺栓的延伸率為12%，滿足強度要求。
3艙段運輸支點強度試驗
為了進一步驗證本文所設計工裝結構的高強度與大負載的性能，本文按照實際的安裝狀態及加載條件進行艙段運輸支點強度試驗，如圖3所示，具體流程為先做啟動、加速工況，后做剎車、減速工況，試驗中的載荷加載級別如表2所示。試驗中，第7級是使用載荷，第8級是考慮全箭靜摩擦的設計載荷，第11級是設計載荷。在正式試驗前，進行預示試驗，加載至第3級，然后卸載，進行正式試驗。逐級加載到第7級，檢查組合工裝是否有破壞或其他異常，如無問題，繼續加載至第11級停止加載。加載過程中測量結構的應力、應變及位移。試驗過程中，組合工裝無破壞、損傷及其他異常現象，組合工裝結構的應力、應變及位移的變化量在允許范圍內。經試驗驗證，全箭鐵路運輸組合工裝設計方案正確、合理可行，滿足強度要求。
4結語
經過有限元靜力學仿真分析和靜力學試驗驗證，本文所設計的全箭鐵路運輸組合工裝合理可行，滿足強度和負載要求。該方案能夠使得全箭具有適應鐵路運輸的大過載能力，能夠保證全箭鐵路運輸的高可靠性及安全性。
參考文獻：
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作者:于霖 盛希 單位:北京宇航系統工程研究所
