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摘要：為了解決炮彈安全可靠地集中化運(yùn)輸問題，根據(jù)炮彈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及外圓柱表面定位原理，本文設(shè)計(jì)了環(huán)形裝夾裝置用于固定炮彈，設(shè)計(jì)了內(nèi)置多層可拖拽“小車”裝置的集裝箱實(shí)現(xiàn)集中倉儲(chǔ)及運(yùn)輸。對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維化建模，并采用有限元軟件對三維模型中重要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，同時(shí)對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。經(jīng)計(jì)算，箱架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為85.546MPa，小于材料的極限屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；含炮彈的集裝箱系統(tǒng)的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內(nèi)，超過路面激勵(lì)頻率，運(yùn)輸過程中不會(huì)發(fā)生共振，避免了因共振造成的結(jié)構(gòu)損壞問題，提高了運(yùn)輸過程中系統(tǒng)的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：炮彈運(yùn)輸；集裝箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

作者：饒兵1 顏弋凡2 孫思達(dá)2 張伯華3 蔣輝1 楊旭東1

1陽天眼智云信息科技有限公司

2中國兵工物資集團(tuán)有限公司

3駿安供應(yīng)鏈科技有限公司

一

引言

炮彈在運(yùn)輸途中常面臨振動(dòng)與沖擊載荷的持續(xù)作用，易導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形，并加速其疲勞損傷的累積，進(jìn)而影響裝備使用性能與存儲(chǔ)可靠性。因此，對炮彈集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其在運(yùn)輸過程中關(guān)鍵部件的強(qiáng)度與剛度穩(wěn)定性是否符合設(shè)計(jì)要求，可為相關(guān)裝備在全生命周期運(yùn)輸階段的完整性與安全性提供保障。

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國內(nèi)關(guān)于炮彈運(yùn)輸包裝方面的相關(guān)研究中，許誠等[1]利用有限元法對某型飛航導(dǎo)彈在運(yùn)輸過程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，并給出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。吳邵慶等[2]利用能量法和有限元方法分析了路面激勵(lì)下運(yùn)輸車和彈體的振動(dòng)量級(jí)，討論了不同參數(shù)對彈體某重要部位振動(dòng)量級(jí)的影響。李霄等[3]將火工品包裝箱的抗震性能問題轉(zhuǎn)化為線性動(dòng)力學(xué)問題，建立了有限元模型并分析了模態(tài)。李恩奇等[4]對導(dǎo)彈和運(yùn)輸車進(jìn)行了有限元分析，并提出了運(yùn)輸過程中導(dǎo)彈彈頭的減振方案。邱莎莎等[5]對彈體包裝的重要性和必要性進(jìn)行了闡述，對包裝箱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求及選材問題進(jìn)行了介紹。但相關(guān)研究中，炮彈的運(yùn)輸裝置并未實(shí)現(xiàn)集中化設(shè)計(jì)，不利于實(shí)際使用時(shí)的快速裝卸。

針對炮彈安全可靠地集中化運(yùn)輸問題，本文基于SolidWorks軟件構(gòu)建炮彈集裝箱三維模型，并借助Ansys Workbench軟件開展靜力學(xué)與模態(tài)分析。通過靜力學(xué)分析炮彈集裝箱關(guān)鍵零部件的應(yīng)力、變形位移分布情況，利用模態(tài)分析求解其模態(tài)情況，從而為炮彈集裝箱的后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

二

炮彈集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，炮彈主要的運(yùn)輸方式是將若干枚（1~4枚居多）炮彈裝入炮彈箱中，將幾枚炮彈箱進(jìn)行打捆，打捆后若干捆炮彈箱利用繩索與托盤組合固定碼垛，形成“托盤貨垛”結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)輸。該種貨垛方式便于倉儲(chǔ)及倉儲(chǔ)間運(yùn)輸，但實(shí)際使用（訓(xùn)練、作戰(zhàn)）時(shí)并不便利，無法實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)輸與拆卸。為了解決該問題，本文設(shè)計(jì)了一種集裝箱化的運(yùn)輸裝置。集裝箱化運(yùn)輸裝置以集裝箱為主體結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)設(shè)置有3層鋁合金材質(zhì)的箱架，每層箱架上安裝8個(gè)可拖拽小車，每個(gè)小車上可裝夾兩發(fā)炮彈。為了便于陸路運(yùn)輸，箱體的整體尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)為2033mm×1960mm×1960mm，該尺寸便于安裝在小型運(yùn)輸車輛上。集裝箱箱角采用標(biāo)準(zhǔn)固定鎖扣，足以保證運(yùn)輸時(shí)集裝箱的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，還可以利用鎖扣實(shí)現(xiàn)集裝箱堆碼。同時(shí)，集裝箱的小尺寸屬性可實(shí)現(xiàn)其在大型運(yùn)輸車輛或火車上單層多個(gè)并排安裝，配合碼垛實(shí)現(xiàn)超大量的集中運(yùn)輸。利用建模軟件SolidWorks建立炮彈集裝箱結(jié)構(gòu)的宏觀三維模型，具體如圖1所示。

圖1 炮彈集裝箱的結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)并設(shè)置可拖拽小車裝置的目的主要是優(yōu)化炮彈取放流程，具體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示?？赏献≤囅掠?對滾輪，采用C型導(dǎo)軌對滾輪滾動(dòng)限位與導(dǎo)向，保證可拖拽小車的移動(dòng)順滑，進(jìn)而便于將裝夾在小車尾部的第二枚炮彈取出。

圖2 可拖拽小車及環(huán)形夾具結(jié)構(gòu)圖

為了保證炮彈在運(yùn)輸過程中保持穩(wěn)定，采用了環(huán)形夾具對炮彈進(jìn)行裝夾固定。環(huán)形夾具具有上下兩部分，均具有半圓形內(nèi)表面，具體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。環(huán)形夾具的下半圓部分具有定位作用，通過螺栓安裝在鋁合金材質(zhì)的可拖拽小車車架上，其半圓形內(nèi)表面與炮彈的外圓柱表面相接觸，主要起到定位和承重的作用。環(huán)形夾具上半圓部分主要起夾緊作用，其一端通過鉸接結(jié)構(gòu)與下半圓部分進(jìn)行可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接，另一端設(shè)有通孔，放置好炮彈后通過螺栓連接將上、下兩個(gè)半圓部分進(jìn)行擰緊固定。為了減小運(yùn)輸過程中炮彈因路面不平受到的沖擊力，在環(huán)形夾具的內(nèi)表面粘結(jié)了橡膠墊，該橡膠墊除了可以起到降低來自車輪的沖擊力，避免造成彈體硬性損傷或引發(fā)其他危險(xiǎn)事故外，還可以增加摩擦，降低夾緊松動(dòng)時(shí)發(fā)生滑動(dòng)的可能。此外，橡膠墊可避免炮彈在安裝、拆卸過程中因金屬間硬性摩擦接觸造成的表面劃痕等不必要的損傷問題。由圖2可見，每枚炮彈使用兩個(gè)環(huán)形夾具，分別對彈體的前端和尾部進(jìn)行固定，進(jìn)一步保證了炮彈的安全、穩(wěn)定性。

圖3 炮彈集裝箱簡化后結(jié)構(gòu)圖

整體結(jié)構(gòu)簡單的炮彈集裝箱結(jié)構(gòu)中包含繁多的零件、部件，但部分零件、部件對于仿真分析結(jié)果影響甚微。這些零部件不僅會(huì)給仿真分析的前處理階段帶來不必要的麻煩，而且因網(wǎng)格數(shù)量過大、接觸單元過多會(huì)致使計(jì)算不易收斂。為了保證靜力學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)分析能夠順利進(jìn)行，需對集裝箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下簡化處理：省略與連接功能直接相關(guān)的特征，如螺紋、螺栓及各類連接，這類結(jié)構(gòu)中微小尺寸較多，會(huì)致使單元格小且多；對模型質(zhì)量特性和結(jié)構(gòu)剛度特性影響程度較低的特征，如倒角，這類幾何形狀不影響結(jié)構(gòu)特性；此外，還有省略閥門、鎖扣等類似附件，這類結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量占比很小，在劃分網(wǎng)格過程中操作難度較大，且對炮彈集裝箱整體性能的影響甚微，同樣進(jìn)行省略處理，只保留結(jié)構(gòu)的主要特征。經(jīng)簡化后的炮彈集裝箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

三

炮彈集裝箱的靜力學(xué)分析

1.炮彈集裝箱有限元模型

炮彈集裝箱結(jié)構(gòu)主要由箱體、箱架、炮彈、導(dǎo)軌、可拖拽小車、橡膠墊以及其他附件構(gòu)成，各主要部件的材料屬性見表1。

表1 炮彈集裝箱各部分結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

將簡化后的炮彈集裝箱模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的合理性直接決定計(jì)算結(jié)果的精確程度，這是計(jì)算分析的重要基礎(chǔ)。在對炮彈集裝箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，整體結(jié)構(gòu)選用四面體網(wǎng)格、采用自由劃分模式進(jìn)行劃分。劃分網(wǎng)格后的炮彈集裝箱有限元模型如圖4所示。該有限元模型中共包含928541個(gè)節(jié)點(diǎn)，354448個(gè)單元。完成網(wǎng)格劃分后，在做相關(guān)分析前需要進(jìn)一步對有限元模型進(jìn)行約束定義，建立模型內(nèi)各部件間的連接關(guān)系。根據(jù)實(shí)物中各部件的位置及裝配關(guān)系，將箱體與箱架的接觸部位設(shè)置為綁定約束，其余部件則根據(jù)彼此間的運(yùn)動(dòng)特性，建立綁定、耦合等適配的約束關(guān)系。

圖4 劃分網(wǎng)格的炮彈集裝箱有限元模型

2.箱架的靜力學(xué)分析

在運(yùn)輸過程中，炮彈集裝箱會(huì)承受穩(wěn)態(tài)慣性荷載，因此用Ansys Workbench對集裝箱進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算集裝箱箱架在受外部載荷時(shí)的應(yīng)力分布情況和變形情況，判斷箱架設(shè)計(jì)的合理性。

圖5 箱架靜力學(xué)結(jié)果

在對炮彈集裝箱箱架進(jìn)行有限元分析的過程中，首先對其施加約束，將箱體底部進(jìn)行固定約束，研究箱架的變形位移和應(yīng)力云圖，分析結(jié)果如圖5所示。圖5(a)呈現(xiàn)的是箱架橫梁的總形變，從該圖能夠清晰地觀察到，在施加載荷作用力后，所產(chǎn)生的最大總變形量為4.1178mm；圖5(b)展示的是箱架橫梁的最大主應(yīng)力，從中能夠得知，該系統(tǒng)在載荷作用力下，其應(yīng)力最大值為54.383MPa。圖5(c)是箱架豎槽的總變形，所發(fā)生的最大變形大概為0.0435mm；圖5(d)是箱架豎槽的最大主應(yīng)力，其最大值為85.546MPa。箱架橫梁和豎槽的變形值較小，二者均符合設(shè)計(jì)要求。箱架的主材料為鋁合金，其屈服極限值為310MPa，橫梁和豎槽的最大應(yīng)力都小于其材料的屈服強(qiáng)度，所以該箱架的靜強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

四

炮彈集裝箱的模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定炮彈集裝箱系統(tǒng)的固有頻率和振型，是結(jié)構(gòu)防共振破壞設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[6]。

1.模態(tài)分析理論

炮彈集裝箱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；為加速度向量；為速度向量；X為位移向量；F(t)是激勵(lì)載荷向量。因?yàn)橄到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)阻尼對結(jié)構(gòu)的頻率和振型影響很小，因此可取阻尼[C]為零。做模態(tài)分析時(shí)需要忽略外力，所以令外部激勵(lì)力F(t)為零，則式(1)將化簡為：

對于線性系統(tǒng)，令

式中：為第i階模態(tài)的特征向量；為第i階自由振動(dòng)的固有頻率。系統(tǒng)的振動(dòng)特征方程則如公式(4)所示：

對公式(4)進(jìn)行求解，可得出炮彈集裝箱在第i階的固有頻率和振型。

2.模態(tài)結(jié)果分析

對于炮彈集裝箱而言，低階模態(tài)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)較大的模態(tài)，尤其是對結(jié)構(gòu)安全影響最大的共振通常出現(xiàn)在低階模態(tài)的固有頻率附近。因此，文中提取了炮彈集裝箱前6階模態(tài)進(jìn)行分析，炮彈集裝箱的前6階固有頻率見表2。炮彈集裝箱的振動(dòng)特性決定了其在承受外載荷時(shí)的工作狀態(tài)，根據(jù)炮彈集裝箱固有頻率及振型特點(diǎn)可以看出，炮彈集裝箱的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內(nèi)。

表2 集裝箱固有頻率

炮彈集裝箱前6階固有頻率對應(yīng)的振型如圖6所示。炮彈集裝箱第1階振型表現(xiàn)為箱體內(nèi)部最上面的梁向下產(chǎn)生彎曲變形；第2階振型表現(xiàn)為箱體內(nèi)部中間層的梁向下產(chǎn)生彎曲變形；第3階振型為箱體內(nèi)部最上面一層炮彈前傾變形；第4階振型為箱體內(nèi)部中間層炮彈前傾變形；第5階振型為箱體左右兩側(cè)面變形；第6階振型為箱體底部的撓曲變形。在系統(tǒng)變形比例設(shè)置一致的情況下，第3階模態(tài)和第4階模態(tài)的振型中部件的振動(dòng)位移較大，意味著共振振幅較大，實(shí)際運(yùn)輸時(shí)應(yīng)避免箱架受到22.765Hz和23.018Hz這兩個(gè)頻率的激勵(lì)。

圖6 炮彈集裝箱前6階振型

五

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了搭載可拖拽小車的炮彈集裝箱，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過程中對炮彈的集中裝夾、存儲(chǔ)。通過有限元分析，明確了集裝箱箱架的最大應(yīng)力位置為橫梁與豎槽的連接處，其值為85.546MPa，小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)安全可靠。另外，炮彈集裝箱的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內(nèi)，激勵(lì)頻率在23Hz左右時(shí)容易引發(fā)劇烈共振，實(shí)際運(yùn)輸時(shí)應(yīng)合理調(diào)整車速，避開該頻率的路面激勵(lì)。

參考文獻(xiàn):

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編輯、排版：王茜

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