弹箭与制导学报

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2025 , Vol. 45 >Issue 3: 366 - 370

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.03.014

综述、总体、动力、毁伤、测试及其他

冲击载荷下飞行器贮运一体化装置锁紧特性研究

  • 郝予琛 ,
  • 张保刚 ,
  • 李昱霖 ,
  • 阎金贞 ,
  • 张学成 ,
  • 张兴勇
展开
  • 上海机电工程研究所,上海 201109
李昱霖(1985—),男,高级工程师,博士。E-mail:

郝予琛(1996—),男,工程师,博士。E-mail:

收稿日期: 2024-11-18

  网络出版日期: 2025-07-09

基金资助

中国航天科技集团钱学森青年创新基金(QXSCXJJ2023048)

收起

Study on the Locking Mechanism of Storage-transportation Integrated Device for High-speed Vehicle Under Impact Loading Conditions

  • HAO Yuchen ,
  • ZHANG Baogang ,
  • LI Yulin ,
  • YAN Jinzhen ,
  • ZHANG Xuecheng ,
  • ZHANG Xingyong
Expand
  • Shanghai Electro-mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China

Received date: 2024-11-18

  Online published: 2025-07-09

Fold

摘要

贮运一体化装置锁紧机构是飞行器精确作战系统不可缺少的重要组成部分。为了研究冲击载荷工况下飞行器贮运一体化装置锁紧特性研究,以关键设备杠杆式锁紧机构为研究对象,采用中级承载能力的冲击试验机进行全尺寸冲击试验,全面分析验证锁紧特性。结果表明:在冲击载荷作用下,锁紧机构外挡块发生剪断破坏,剪断面积为39.77 mm2,锁紧失效造成飞行器与贮运一体化设备发生相对运动并互相碰撞;基于试验结果结合数值模拟方法判断外档块与飞行器接触部位结构强度不足是造成锁紧失效的主要原因;开展结构优化设计,并再次进行冲击试验,此时锁紧机构正常工作,飞行器可靠固定未发生碰撞。研究结果可为贮运一体化装置锁紧特性验证及后续数值计算研究提供重要工程参考。

关键词： 高速飞行器; 贮运一体化装置; 锁紧机构; 冲击载荷

本文引用格式

郝予琛 , 张保刚 , 李昱霖 , 阎金贞 , 张学成 , 张兴勇 . 冲击载荷下飞行器贮运一体化装置锁紧特性研究[J]. 弹箭与制导学报, 2025 , 45(3) : 366 -370 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.03.014

Abstract

The locking mechanism of storage-transportation integrated device is an indispensable important part of the precise combat system of the aircraft. In order to study the locking characteristics of the integrated storage and transportation device locking mechanism under impact load conditions, the lever-type locking mechanism, as a key equipment, was taken as the research object. The full-scale impact test was conducted on the medium-capacity impact tester. The locking characteristics were comprehensively analyzed and verified. The results show that under the action of impact load, the outer block of the locking mechanism is subject to shear failure, with the shear area of 39.77 mm2. The locking failure causes relative motion and collision between the aircraft and the integrated storage and transportation equipment. Based on the test results and numerical simulation methods, it is judged that the structural strength of the outer block in contact with the aircraft is insufficient, which is the main reason for the locking failure. Structural optimization design was carried out, and the impact test was conducted again. At this time, the locking mechanism works normally, and the aircraft is reliably fixed without collision. The research results can provide important engineering references for the verification of the locking characteristics of the integrated storage and transportation device and subsequent numerical calculation research.

Key words： high-speed vehicle; storage-transportation integrated device; fixing device; impact loading

0 引言

贮运一体化装置是实现飞行器贮存、运输和发射的重要设备,是飞行器作战系统不可缺少的重要组成部分,直接影响导弹的贮存、使用以及作用性能[1-3]。锁紧机构是贮运一体化装置的关键内部设备之一,在设计过程中需要考虑锁紧特性、解锁特性等关键服役性能,这将决定整套锁紧机构的可靠性与适用范围。
贮运一体化装置解锁特性是指飞行器误点火后仅通过发动机自身推力就能将纵向锁拉断以实现飞行器与锁紧机构的分离。国内张中利[4]、隋九龄[5]、李志勇[6]、郝予琛[7]等已经采用基于非线性显式动力学数值模拟或直接试验的方式,开展了多款不同飞行器发射过程中锁紧机构的解锁性能,建立了相应解锁特性的评价指标,取得了一定的进展。
然而,研究者们对贮运一体化装置锁紧特性关注相对较少,且多针对正常运输过程中,锁紧机构对飞行器施加轴向预紧力,用于克服运输或机动时的轴向振动和冲击载荷,实现锁紧效果[1]。主要是在设计过程中考虑最大振动加速度对锁紧机构的结构强度进行校核,但是对冲击载荷的研究还比较少。由于舰艇在服役期间不可避免会面临冲击环境,对于水下近距离非接触爆炸来说,带来的冲击对舰船结构本身损伤较小,但是对贮运一体化装置在内的舰载设备却可能造成较大范围的破坏[8],进一步造成飞行器无法可靠锁紧影响后续发射,是当下亟需研究的问题。
从现有文献看,目前对于舰载设备冲击的研究主要采用有限元数值仿真的方法获取雷达组件[9]、齿轮箱[10]、舰载导弹[11]等设备响应。但对于舰体-夹板-发射装置-贮运一体化装置-锁紧机构-飞行器这样具有复杂传递路径的模型,数值模拟精度难以保证,且建模成本和计算成本都巨大,因此很难通过数值模拟的方式评估冲击载荷工况下的锁紧机构锁紧性能。
针对上述问题,文中以飞行器贮运一体化装置锁紧机构为研究对象,开展全尺寸冲击试验研究,分析锁紧机构中的薄弱区域并开展结构优化,对于全面验证锁紧机构性能,具有重要工程应用价值。

1 锁紧机构工作原理

以典型的杠杆式锁紧机构为研究对象,如图1所示[12]。
图1 锁紧机构示意图[12]

Fig.1 Illustration of fixing device

锁紧机构安装固定在贮运一体化装置内部,该机构基于杠杆原理,杠杆一端通过内档块与一只爆炸螺栓纵向锁连接,发射时通过指令起爆实现锁紧机构解锁;另一端通过外挡块(outer stops)对飞行器施加轴向力(axial force)实现闭锁固定,轴向力的大小取决于拧紧爆炸螺栓纵向锁形成的力通过杠杆原理放大。通常在设计过程中,闭锁力不大于飞行器重量5倍,杠杆比由贮运一体化装置内部空间决定。
外挡块材料为高强度合金钢35CrMnSiA,按照规范热处理后洛式硬度(HRC)为34,相应抗拉强度为1 052 MPa[13-14]。内挡块材料为高强度合金钢30CrMnSi,抗拉强度为735 MPa。

2 试验研究方法

2.1 冲击试验原理

冲击试验通常包含3种方法。第一种是直接冲击试验,是验证设备抗冲击的最佳途径,但试验开展难度大,成本高昂,极大限制了其广泛应用。第二种是仿真试验,其试验成本和试验周期都具有较好的优势,但是对于复杂设备,进行冲击试验模拟难以保障其精确程度[15]。相比于上述两种方法,第三种使用冲击试验设备模拟冲击环境,用于验证相关设备的可靠性,具有可重复性好、试验费低等优点[16],得到了学界和业界的广泛认可。
文中使用如图2所示的中级承载能力的冲击试验机,其适用质量为120~3 400 kg[17-18]。其原理是使摆锤升起一定高度,随后在重力作用下摆动,与砧台发生碰撞产生冲击力,随后传递至设备,从而实现对设备的抗冲击能力的检验。中量级冲击机的砧台行程具有38 mm和76 mm两档[19]。摆锤由锤头、冲头摆臂等组成,总质量为1 900 kg,其中锤头质量为1 360 kg,回转半径为1 830 mm,锤头碰撞时间为1 ms。
图2 冲击试验原理示意图

Fig.2 Illustration of impact test

摆锤冲击砧台时的角速度ω0可表示为:

ω0= 2 m g H / J

式中:J为摆锤相对于转轴的转动惯量;H为下降高度。

2.2 冲击试验条件

依据GJB150.18—86《军用设备环境试验方法冲击试验》中的舰船设备冲击试验[20],设计相应试验以分析设备可能受到的冲击。将贮运一体化装置(内部装有飞行器与锁紧机构)装入冲击试验工装,并将前者的前后端固定、约束在冲击试验工装中,再将飞行器贮运一体化装置-工装组合体垂直安装在中型冲击机砧台上。考虑到该贮运一体化装置的安装方式采用分机试验,需要经历相当次数(I、II、III组顺序进行)的冲击试验。冲击输入没有直接采用该国军标所提供的冲击试验条件,而是基于上一级装置的冲击响应,结合前期开展的大量试验,冲击试验条件设置为:冲击次数为1,砧板行程76 mm,落锤高度55 cm,并在试验后对比验证冲击台响应谱形能否覆盖试验条件的输入谱形。受制于试验安全限制,由于工装倾斜后贮运一体化装置重心已偏出台面外,因此只进行X向冲击而不进行倾斜冲击。

3 结果与讨论

3.1 预实验

进行正式冲击试验前,对箱弹与工装的固定情况和箱弹-工装组合体在冲击机上的固定状态均进行了安装检查,结果满足试验要求。
安排小量级锤击(落锤高度23 cm,砧板行程76 mm)预试验,对回路测量系统、传感器的信号采集情况进行测试。确认设备安装可靠、测试系统正常后,再进行正式试验。

3.2 正式试验

进行I组冲击后,锁紧机构的锁紧螺母与结构接触处的标记线无错位,说明飞行器被贮运一体化设备中的锁紧机构牢牢固定,未发生移动。
进行II组冲击过程中,发现飞行器上传感器数据响应数据出现急剧增大,得到400~500 g,如图3所示,这可能是飞行器未被可靠固定,与贮运一体化设备发生相对运动并互相碰撞。将贮运一体化设备打开进行检查,发现飞行器在该设备内部产生22 mm的位移,进一步观察锁紧机构,发现两个外挡块尖端被飞行器剪断,因此贮运一体化设备失去了对飞行器的约束。冲击试验后的外挡块如图4所示,现有外挡块在冲击载荷作用下发生剪断破坏。对外挡块剪断部位进行了测量,其剪断面呈斜面状,其剪断面积为39.77 mm2,垂直距离为2.78 mm。
图3 飞行器加速度响应

Fig.3 Acceleration responses of aircraft

图4 试验后锁紧机构外挡块示意图

Fig.4 Illustration of outer stop after test

4 优化设计

4.1 失效分析及优化设计

为了对外挡块进行失效分析及改进设计,基于冲击载荷与静载荷的近似等效思想,通过II组试验中飞行器内部X向加速度传感器,首先估算出作用在固弹机构外挡块处的冲击载荷为10.2 t;再参考《机械工程师设计手册》[21],冲击载荷与静载荷换算系数可近似为2,可得到相当的静载荷为5.1 t,作为后续外挡块载荷输入。
采用Abaqus对外挡块进行静力分析,结果显示其与后滑块接触部位的大面积应力超过了材料极限强度1 052 MPa,导致尖端被破坏,结果图5所示。
图5 外挡块尖端应力云图

Fig.5 Stress contour of outer stop

根据上述仿真结果,对外挡块进行结构设计优化。如图6所示,将原先的圆弧面改进为斜坡面,增加上述关键受力区的结构强度。再次进行强度分析,如图7所示,排除应力集中区域,整个外挡块应力都明显小于材料极限强度,不会失效。
图6 优化设计

Fig.6 Optimization design

图7 优化后的外挡块尖端应力云图

Fig.7 Stress contour of optimized outer stop

4.2 再次试验

优化设计后再次进行试验,试验条件与第二节相同。提取3组冲击过程中,位于飞行器质心、位置1(位于前35%)和位置2(位于后35%)的加速度响应数据,可以看到其加速度响应均远小于远之前未被可靠固定的加速度(400~500 g)。对3次冲击载荷的冲击谱形与试验条件输入的冲击谱形进行了对比,试验载荷谱形覆盖了试验条件的输入谱形,满足输入条件。对锁紧机构进行检查,未发生松动,说明此时锁紧机构正常工作,将飞行器可靠固定,未与贮运一体化装置发生碰撞,从而验证了优化设计后的锁紧机构的可靠性。

5 结论

以飞行器贮运一体化装置锁紧机构为研究对象,开展全尺寸冲击试验研究,分析锁紧机构中的薄弱区域并开展结构优化,得到如下主要结论
1)在冲击载荷工况下,锁紧机构的外挡块发生剪断破坏,剪断面积为39.77 mm2,垂直距离为2.78 mm,此时锁紧失效,造成飞行器未被可靠锁紧,与贮运一体化设备发生相对运动并互相碰撞。
2)对锁紧机构中的关键薄弱区域外挡块进行结构失效分析,判断外档块与飞行器接触部位结构强度不足是造成锁紧失效的主要原因。在失效分析的基础上,开展相应的结构优化设计,并再次进行冲击试验,此时锁紧机构正常工作,飞行器可靠固定,未与贮运一体化装置发生碰撞,从而验证了优化设计后的锁紧机构的可靠性。
3)文中开展了冲击载荷下贮运一体化装置锁紧特性的试验研究,对锁紧薄弱区域进行了优化设计。后续可结合试验数据进一步开展贮运一体化装置、锁紧机构等更加细致或更加整体的面向舰体到飞行器的数值分析研究,为低成本快速评估锁紧特性提供重要参考。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
林楠. 防空飞行器设计手册: 贮运发射箱(筒)设计[M]. 上海: [出版者不详], 2011.

LIN N. Design manual for anti-aircraft missile: Design of storage and transportation launch containers (cylinders)[M]. Shanghai: [s. n.], 2011.

[2]
许斌, 郝予琛, 杨海洋, 等. 防空导弹结构轻量化技术的发展与展望[J]. 空天防御, 2024, 7(3): 1-13.

XU B, HAO Y C, YANG H Y, et al. Development and prospect of lightweight technology for anti-aircraft missile structures[J]. Air & Space Defense, 2024, 7(3): 1-13.

[3]
郝予琛, 许斌, 张晓宏, 等. 径向压缩下舱体连接电缆力学行为研究[J]. 弹箭与制导学报, 2024: 44(1): 20-24.

DOI

HAO Y C, XU B, ZHANG X H, et al. Mechanical behavior of connecting cable in cabin under radial compression[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2024, 44(1): 20-24.

[4]
张中利, 于存贵, 马大为, 等. 一种新闭锁挡弹机构设计分析与数值仿真[J]. 火炮与发射控制学报, 2007, 28(2): 40-43.

ZHANG Z L, YU C G, MA D W, et al. Design analysis and numerical simulation of a new type of detent catch mechanism[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2007, 28(2): 40-43.

[5]
隋九龄, 熊文慧, 李鹏永, 等. 拉断螺栓式固弹装置动态力学性能对发射内弹道的影响分析[J]. 舰船科学技术, 2019: 41(6): 154-157.

SUI J L, XIONG W H, LI P Y, et al. Research on dynamic mechanical properties of the snap-bolt fixed device during the missile launching[J]. Ship Science and Technology, 2019: 41(6): 154-157.

[6]
李志勇, 张永刚, 李汗生, 等. 火箭弹固弹销运输仿真分析与试验研究[J]. 弹箭与制导学报, 2012: 32(4): 208-210.

DOI

LI Z Y, ZHANG Y G, LI H S, et al. Conveyance simulation analysis and experiment study on adjusting pin for rocket[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2012: 32(4): 208-210.

[7]
郝予琛, 张保刚, 李昱霖, 等. 飞行器意外点火工况下贮运装置解锁特性研究[J]. 弹箭与制导学报, 2025, 45(1): 80-84.

DOI

HAO Y C, ZHANG B G, LI Y L, et al. Research on unlocking characteristics of storage and transportation device under accidental vehicle ignition condition[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2025, 45(1): 80-84.

[8]
周其新. 舰载设备冲击动力学数值实验技术体系研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2008.

ZHOU X Q. Shipboard equipment shock dynamics numerical experiment technology architecture[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2008.

[9]
朱曾辉, 孟庆芹. 舰载雷达TR 组件冲击计算方法分析[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(11): 155-160.

ZHU Z H, MENG Q Q. Analysis of shock computation method for TR module in shipborne radar[J]. Ship Science and Technology, 2021, 43(11): 155-160.

[10]
计晨, 汪玉, 杨莉, 等. 水下爆炸载荷作用下舰用齿轮箱强度极限数值仿真研究[J]. 北京理工大学学报, 2011, 31(1): 9-11.

JI C, WANG Y, YANG L, et al. Numerical simulation study on intensity threshold of marine gearbox subjected to underwater explosion load[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2011, 31(1): 9-11.

[11]
谷鸿平, 黄河, 孟献策, 等. 舰载导弹在水下爆炸作用下的冲击环境数值仿真[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(11): 35-39.

GU H P, HUANG H, MENG X C, et al. Numerical simulation on dynamic response of aircraft carrier subjected to underwater blast landing[J]. Ship Science and Technology, 2020, 42(11): 35-39.

[12]
张保刚, 李微微, 张兴勇, 等. 基于杠杆机构的固弹装置: CN 113237395 B[P]. 2022-11-08.

ZHANG B G, LI W W, ZHANG X Y, et al. The utility model relates to an elastic fixing device based on a lever mechanism: CN 113237395 B[P]. 2022-11-08.

[13]
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.合金结构钢: GB/T 3077—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China,Standardization Administration. Alloy structure steels: GB/T 3077—2015[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015.

[14]
国家质量技术监督局.黑色金属硬度及强度换算值: GB/T 1172—1999[S]. 北京: 中国标准出版社, 1999.

The State Bureau of Quality and Technical Supervision.Conversion of hardness and strength for ferrous metal: GB/T 1172—1999[S]. Beijing: Standards Press of China, 1999.

[15]
LIN M S, LI Y. Analysis of the interactions between spent fuel pebble bed and storage canister under impact loading[J]. Nuclear Engineering and Design, 2020, 361: 110548-110548.

[16]
施建荣, 施诗, 张燕. 模拟模拟水下近距非接触爆炸环境的中量级冲击试验[J]. 装备环境工程, 2010, 7(3): 6-9.

SHI J R, SHI S, ZHANG Y. Medium weight shock test of simulated underwater not-touch close quarters blast environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2010, 7(3): 6-9.

[17]
王贡献, 褚德英, 张磊, 等. 舰船设备冲击试验机研究进展[J]. 振动与冲击, 2007, 26(2): 152-159.

WANG G X, CHU D Y, ZHANG L, et al. Advances in shock test facilities for shipboard equipments[J]. Journal of Vibration and Shock, 2007, 26(2), 152-159.

[18]
闫寒, 孙自强, 吴家鑫. 中量级冲击试验机冲击特性研究[J]. 河南科技, 2021, 40(11): 36-39.

YAN H, SUN Z Q, WU J X. Research on impact characteristics of middleweight impact testing machine[J]. Henan Science and Technology, 2021, 40(11): 36-39.

[19]
王涛. 中量级强冲击试验机运动过程力学特性研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2014.

WANG T. Study on mechanical movement characteristics of middle weight high impact tester[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014.

[20]
国防科学技术工业委员会.军用设备环境试验方法冲击试验: GJB 150.18—86[S]. 北京: 中国标准出版社, 1986.

Commission of Science, Technology and Industry for National Defense.Environmental test methods for military equipment shock test: GJB 150.18—86[S]. Beijing: Standards Press of China, 1986.

[21]
北京英科宇科技开发中心. 机械工程师设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.

Beijing Yingkeyu Science andTechnology Development Center. Mechanical design handbook[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010.

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