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摘要：為了解決炮彈安全可靠地集中化運(yùn)輸問(wèn)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(chē)”裝置的集裝箱實(shí)現(xiàn)集中倉(cāng)儲(chǔ)及運(yùn)輸。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維化建模，并采用有限元軟件對(duì)三維模型中重要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，同時(shí)對(duì)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(guò)路面激勵(lì)頻率，運(yùn)輸過(guò)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(wèn)題，提高了運(yùn)輸過(guò)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(yáng)天眼智云信息科技有限公司

2中國(guó)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(duì)炮彈集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其在運(yùn)輸過(guò)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(guó)內(nèi)關(guān)于炮彈運(yùn)輸包裝方面的相關(guān)研究中，許誠(chéng)等[1]利用有限元法對(duì)某型飛航導(dǎo)彈在運(yùn)輸過(guò)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(chē)和彈體的振動(dòng)量級(jí)，討論了不同參數(shù)對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，建立了有限元模型并分析了模態(tài)。李恩奇等[4]對(duì)導(dǎo)彈和運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行了有限元分析，并提出了運(yùn)輸過(guò)程中導(dǎo)彈彈頭的減振方案。邱莎莎等[5]對(duì)彈體包裝的重要性和必要性進(jìn)行了闡述，對(duì)包裝箱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求及選材問(wèn)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(duì)炮彈安全可靠地集中化運(yùn)輸問(wèn)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(kāi)展靜力學(xué)與模態(tài)分析。通過(guò)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(pán)組合固定碼垛，形成“托盤(pán)貨垛”結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)輸。該種貨垛方式便于倉(cāng)儲(chǔ)及倉(cāng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)輸與拆卸。為了解決該問(wèn)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(chē)，每個(gè)小車(chē)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(chē)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(chē)輛或火車(chē)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(chē)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≤?chē)下有3對(duì)滾輪，采用C型導(dǎo)軌對(duì)滾輪滾動(dòng)限位與導(dǎo)向，保證可拖拽小車(chē)的移動(dòng)順滑，進(jìn)而便于將裝夾在小車(chē)尾部的第二枚炮彈取出。

圖2 可拖拽小車(chē)及環(huán)形夾具結(jié)構(gòu)圖

為了保證炮彈在運(yùn)輸過(guò)程中保持穩(wěn)定，采用了環(huán)形夾具對(duì)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(guò)螺栓安裝在鋁合金材質(zhì)的可拖拽小車(chē)車(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)自車(chē)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(guò)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(wèn)題。由圖2可見(jiàn)，每枚炮彈使用兩個(gè)環(huán)形夾具，分別對(duì)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(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)圖

整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(lái)不必要的麻煩，而且因網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大、接觸單元過(guò)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(duì)集裝箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下簡(jiǎn)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(lèi)連接，這類(lèi)結(jié)構(gòu)中微小尺寸較多，會(huì)致使單元格小且多；對(duì)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(lèi)幾何形狀不影響結(jié)構(gòu)特性；此外，還有省略閥門(mén)、鎖扣等類(lèi)似附件，這類(lèi)結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量占比很小，在劃分網(wǎng)格過(guò)程中操作難度較大，且對(duì)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(jiǎn)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(chē)、橡膠墊以及其他附件構(gòu)成，各主要部件的材料屬性見(jiàn)表1。

表1 炮彈集裝箱各部分結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

將簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)炮彈集裝箱箱架進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，首先對(duì)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(duì)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(jiǎn)為：

對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(chē)的炮彈集裝箱，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)炮彈的集中裝夾、存儲(chǔ)。通過(guò)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(chē)速，避開(kāi)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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