1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計課程大作業(yè)彈體艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法調(diào)研一 新型彈體艙段的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)常見的艙段結(jié)構(gòu)有：硬殼式結(jié)構(gòu)、半硬殼式結(jié)構(gòu)、整體式結(jié)構(gòu)、波紋板式結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)、構(gòu)架式結(jié)構(gòu)。 根據(jù)受力形式不同，半硬殼式結(jié)構(gòu)又可分為下列三種形式1.梁式結(jié)構(gòu)圖1 梁式結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件只有大梁，載荷主要由大梁承受，允許蒙皮失穩(wěn)。這種結(jié)構(gòu)適用于有集中軸向力作用且有大開口的情況，缺點(diǎn)是蒙皮步參加受力，材料利用率不高，結(jié)構(gòu)較重。2桁式結(jié)構(gòu)圖2 桁式結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件是行條，布置較密，能夠提高蒙皮的臨界應(yīng)力，從而使蒙皮除了承受艙體的剪力和扭矩以外，還能與桁條一起承受艙體的軸

2、向力和彎矩。與梁式結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)的材料大部分分布在艙體剖面的最大高度上，當(dāng)結(jié)構(gòu)重量相同時，這種結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度大。缺點(diǎn)是艙體上不宜開大型艙口，因?yàn)榇笮团摽跁袛噍^多的主要受力元件桁條。為了彌補(bǔ)由于開口引起的強(qiáng)度的削弱，開口處需要加強(qiáng)。從而增加結(jié)構(gòu)重量；另外，桁條剖面弱，不宜傳遞較大的縱向集中力。適用于有均布軸壓載荷作用且有小艙口的情況。彈體的箱間段大多采用這種結(jié)構(gòu)形式。3桁梁式結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件除大梁外還有較多的桁條。適用于有集中力且開口不很大的情況。這種結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮典型剖面各構(gòu)件的承載能力，結(jié)構(gòu)重量可大大減輕，不允許蒙皮失穩(wěn)。二 彈體艙段的加工與成型方法1.焊接成型焊接就是通過加

3、熱或加壓，或兩者并用，有時還采用填充材料，使焊件達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法。目前，導(dǎo)彈彈體中大部分的重要部件，包括動力部件殼體、各艙段殼體、舵面和翼面等，都是通過焊接組合而成的。焊接成型方法主要包括1.1 真空電子束焊真空電子束焊是利用空間定向高速運(yùn)動的電子束撞擊工件表面后，將部分動能轉(zhuǎn)化成熱能，使被焊金屬熔化、冷凝、結(jié)晶而形成焊縫。焊接時，電子槍的陰極通電加熱到高溫而發(fā)射大量電子，在陰極表面形成一團(tuán)密集的電子云，這些熱電子在強(qiáng)電場的作用下被加速到很高的速度，高速運(yùn)動的電子經(jīng)過聚束極、陽極的靜電場作用和聚焦透鏡的電磁場作用而聚集成高能量密度的一束電子射線，它在工件的轟擊點(diǎn)處與材料晶格電子、原

4、子相碰撞時被散射和阻止，其動能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰考礋崮?，從而熔化工件、形成焊縫。1.2 真空擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊技術(shù)由前蘇聯(lián)的卡扎克夫在1957年發(fā)明，它是依靠界面原子間的相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)結(jié)合的一種精密的連接方法。真空擴(kuò)散連接是指在一定溫度和壓力條件下，在真空環(huán)境中將待焊工件的表面相互接觸，并通過微觀塑性變形使之緊密結(jié)合，界面處的原子經(jīng)過一定時間的相互擴(kuò)散，形成整體接頭的一種固態(tài)焊接方法。1.3 電阻點(diǎn)焊和滾焊電阻點(diǎn)焊及滾焊就是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極或兩滾輪電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)或焊縫的電阻焊方法。電阻點(diǎn)焊一般由以下4個基本程序（圖3）組成一個循環(huán)過程：（1）預(yù)壓：電極

5、下移、施加壓力、焊件貼合、過程開始。（2）焊接：通電加熱、母材熔化、形成熔核、焊接開始。（3）維持：繼續(xù)施壓、斷電冷卻、熔核結(jié)晶、焊接結(jié)束。（4）休止：去除壓力、電極上移、焊機(jī)休止、過程結(jié)束。圖3 電阻點(diǎn)焊循環(huán)過程示意圖1.4 激光焊激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法。激光焊時，激光照射到金屬表面，與金屬發(fā)生相互作用，金屬中的自由電子吸收光子導(dǎo)致電子溫度升高，然后通過振動將能量傳遞給金屬離子，金屬溫度上升，光能變?yōu)闊崮苋刍饘龠M(jìn)行焊接。2.整體加工成型導(dǎo)彈上的一些艙段、如儀器槍、級間段等，其長度不會太長。這樣的回旋體完全有可能選用多座標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控銑，改變毛坯

6、型式，使之成為整體艙段加工。這樣，可為設(shè)計者提供更大的自由度，進(jìn)一步減輕重量，而且還能進(jìn)一步提高艙體的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。整體艙段加工工藝過程比較簡單，主要工序?yàn)殄懲?，熱處理和機(jī)加工，在粗精加工之間有消除應(yīng)力退火工序。加工出來的整個艙段沒有焊縫，原設(shè)計的隔框亦整體加工出連接部分，部裝時不用密封鉚。其幾何精度大大優(yōu)于整體化銑或平板數(shù)控銑然后成形型再焊接加工的艙段。加工過程如圖4所示圖4 整體加工過程三 新型材料在彈體艙段上的應(yīng)用材料是構(gòu)成導(dǎo)彈的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭和導(dǎo)彈嚴(yán)峻的工作環(huán)境都對材料的性能不斷提出苛求。導(dǎo)彈技術(shù)中大有發(fā)展前途的技術(shù)領(lǐng)域之一就是應(yīng)用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料這一領(lǐng)域，如能采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料，

7、就有可能明顯地提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的性能，如增大導(dǎo)彈的射程，減小尺寸以及提高整個武器系統(tǒng)的生存能力等。目前戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)材料仍以金屬材料為主體，部分采用先進(jìn)的復(fù)合材料。隨著復(fù)合材料的迅速發(fā)展，復(fù)合材料等新型材料在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用會逐漸增多，并逐步取代一部分金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金、欽合金、各種合金鋼及高溫金屬等傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料，在航天工業(yè)中目前仍占主導(dǎo)地位，是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的主要結(jié)構(gòu)材料。但目前也有多種新型材料在導(dǎo)彈彈體艙段上有了實(shí)際應(yīng)用。1.金屬間化合物新型材料金屬間化合物是一種具有優(yōu)異性能和廣泛應(yīng)用前景的新型高溫材料。這種材料的性能介于常規(guī)金屬材料與陶瓷材料之間。與金屬材料(如高溫合金)相比，其高溫

8、強(qiáng)度更好，但其密度則比高溫合金材料小得多；與陶瓷材料相比，其韌性則相對更好。據(jù)報道，這種材料可望在550一100范圍內(nèi)做高溫結(jié)構(gòu)材料使用。德國、美國目前主要研制Ti3AI和TIAI兩種材料。這兩種材料是目前公認(rèn)的最有希望獲得實(shí)際應(yīng)用的金屬間化合物材料。Ti3AI的使用溫度可望達(dá)到815，TIAI的使用溫度可望達(dá)到1000，這是由于TIAI化合物能在其表面形成耐高溫的鋁表面涂層，因而比Ti3AI更耐高溫，其強(qiáng)度也更高，但其密度卻更低。2.凱芙拉纖維復(fù)合材料美國杜邦公司在70年代初期研制成功了一種具有較高強(qiáng)度、較高模量、低密度的新型聚酞胺有機(jī)纖維，商品名稱凱芙拉纖維，我國稱為芳綸纖維，國外稱之為第

9、二代合成纖維。除美國外，日本、蘇聯(lián)和西歐等國均在進(jìn)行大量的研制工作，并有一定數(shù)最的商品出售。蘇聯(lián)芳綸纖維的水平占世界第一，他們的芳綸纖維性能優(yōu)于美國杜邦公司的凱芙拉一49和凱芙拉一149，也優(yōu)于德國恩卡公司的Twaron纖維。凱芙拉纖維的主要特點(diǎn)是密度低、高強(qiáng)度和高模量。它的密度僅為玻璃纖維的60%，強(qiáng)度與高強(qiáng)度玻璃纖維相近，模量比高強(qiáng)度玻璃纖維高約50%因此在各類纖維中凱芙拉纖維的比強(qiáng)度最高，比模量僅次于硼、碳纖維，而且還具有良好的抗沖，和耐疲勞性能。3.碳纖維復(fù)合材料碳(石墨)纖維復(fù)合材料(碳(石墨)/環(huán)氧)是美國60年代宇航部門發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料。由于它的綜合力學(xué)性能均高于芳香族聚酞

10、胺纖維和玻璃纖維復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、抗疲勞、熱穩(wěn)定性好(熱膨脹系數(shù)小)和成型簡單等優(yōu)點(diǎn)，而且價格逐漸下降，比硼纖維便宜得多，所以這種材料比別的復(fù)合材料發(fā)展得快，在宇航工業(yè)上應(yīng)用非常多。4.金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料是復(fù)合材料的一個重要方面，美國近年來花費(fèi)了大量的人力物力來進(jìn)行這方面的研究工作。金屬基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合材料相比，具有橫向機(jī)械性能好，層間剪切強(qiáng)度高，工作溫度高?導(dǎo)熱導(dǎo)電，不吸濕，不放氣，尺寸穩(wěn)定及不老化等優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)用金屬基復(fù)合材料還具有金屬的成形及連接性能，一可象金屬那樣鑄造、擠壓、焊接和機(jī)械加工, 同時具有增強(qiáng)塑料的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。但也具有由于加工溫度高，纖維和

11、基體容易產(chǎn)生有害反應(yīng)，復(fù)合工藝比較復(fù)雜和成本較高等缺點(diǎn)。但由于它所具有的優(yōu)異性能，使其在宇航工業(yè)中成為金屬和先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的很有前途的代用品，具有廣泛的用途。四 彈體艙段結(jié)構(gòu)分析與計算方法結(jié)構(gòu)分析是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)為多種結(jié)構(gòu)形式組合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，簡單的定性分析難設(shè)計出合理的、高性能的結(jié)構(gòu)，只有通過結(jié)構(gòu)分析才可以有效地、科學(xué)地選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)分析的中心任務(wù)是對結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行定量評價。1.結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容主要有靜力分析、結(jié)構(gòu)動力分析和熱結(jié)構(gòu)分析等。1.1 結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)靜力分析主要研究導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)在靜載或準(zhǔn)靜載條件下的力學(xué)行為，完成結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、

12、剛度和穩(wěn)定性分析。具體內(nèi)容有：計算結(jié)構(gòu)的變形（位移）及其分布，進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分析與驗(yàn)證；計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力及其分布，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與驗(yàn)證；計算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷和失穩(wěn)模態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與驗(yàn)證。1.2 結(jié)構(gòu)動力分析結(jié)構(gòu)動力分析主要是研究導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)動力固有特性和在動載荷作用下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為，完成結(jié)構(gòu)的振動固有特性分析、動態(tài)響應(yīng)分析和氣動彈性分析等工作。1.3 熱結(jié)構(gòu)分析熱結(jié)構(gòu)分析可以直接以熱分析得到的溫度分布作為輸入條件。結(jié)構(gòu)的熱/結(jié)構(gòu)分析主要包含熱變形、熱彈性沖擊、熱振動和熱顫振四類。2. 結(jié)構(gòu)分析的基本過程1）建立結(jié)構(gòu)的分析模型2）選擇分析理論與分析方法3）選擇分析軟件或自編分析程序4）對結(jié)

13、果進(jìn)行分析與驗(yàn)證3. 結(jié)構(gòu)分析計算方法結(jié)構(gòu)分析計算方法基本建立在有限元素法基礎(chǔ)上，其中有限元模型方程如下。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元模型：結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元模型：式中M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；t為時間；為位移列向量；為動載荷列向量。五 彈體艙段優(yōu)化設(shè)計方法彈體艙段的結(jié)構(gòu)設(shè)計的靜、動力載荷工況多，結(jié)構(gòu)承載復(fù)雜，艙段內(nèi)部儀器設(shè)備安裝布局要求苛刻，同時必須兼顧多種使用功能需求，要求在滿足各項設(shè)計指標(biāo)的前提下結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕。隨著航天工程技術(shù)各個領(lǐng)域的快速發(fā)展和不斷進(jìn)步，對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，從結(jié)構(gòu)方案論證、方案設(shè)計、樣機(jī)加工制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等，一直到整個工程研制階段結(jié)束，提出提高設(shè)計效率、一次設(shè)計的正確性、縮短研制

14、周期和減少研制經(jīng)費(fèi)等問題。隨著優(yōu)化算法和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開始研究將優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)多約束和多學(xué)科綜合的優(yōu)化設(shè)計問題，從而縮短研制周期，減少設(shè)計中的反復(fù)，提高設(shè)計質(zhì)量。利用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成為其中一種選擇。1漸進(jìn)優(yōu)化設(shè)計方法漸進(jìn)優(yōu)化設(shè)計方法是一種利用幾種優(yōu)化算法使結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果逐漸趨近于某些約束條件下最優(yōu)化的方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計前期，先根據(jù)主要儀器設(shè)備布局空間約束和受載情況，在預(yù)先確定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，尋求結(jié)構(gòu)材料最優(yōu)布局的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行構(gòu)型和結(jié)構(gòu)布局方案的選擇；而后，利用數(shù)值優(yōu)化算法，對結(jié)構(gòu)設(shè)計要素進(jìn)行優(yōu)化，從而使結(jié)構(gòu)趨近于最優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計流程如圖5所示圖5 漸

15、進(jìn)優(yōu)化設(shè)計流程2.彈體艙段結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化彈體艙段連接在末級發(fā)動機(jī)前端，裝載有效載荷、控制設(shè)備、動力設(shè)備、測量設(shè)備、分離組件和其它輔助設(shè)備等，要求在貯存、運(yùn)輸和飛行工作環(huán)境下承受各種載荷和環(huán)境條件，完成各類功能，要求在特定的有效空間內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)動態(tài)特性等滿足設(shè)計要求，且結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕。首先根據(jù)某運(yùn)載器艙段所受載荷，在允許的設(shè)計區(qū)域內(nèi)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)對稱性，取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行有限元建模。拓?fù)鋬?yōu)化分析的有限元模型（見圖6），分別模擬設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計空間和艙段殼體兩部分。圖6 拓?fù)鋬?yōu)化分析有限元模型六 總結(jié)80年代以來，導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢主要是多用途、研制與改進(jìn)相結(jié)合和采用模塊式設(shè)計。為

16、適應(yīng)這一研制方向，導(dǎo)彈的彈體結(jié)構(gòu)也要作相應(yīng)改進(jìn)。導(dǎo)彈艙段受力外殼與內(nèi)部設(shè)備外殼合二為一和縮小其展是使導(dǎo)彈外形小型化的重要措施。彈體結(jié)構(gòu)改進(jìn)還包括研究垂直發(fā)射技術(shù)和開展隱身技術(shù)研究。加強(qiáng)新材料、新工藝的研究也是改進(jìn)彈體艙段結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容。本文基于調(diào)研及查閱資料的結(jié)果，利用了部分彈體艙段結(jié)構(gòu)實(shí)例，分析了彈體艙段設(shè)計制造的過程中一系列技術(shù)問題與分析解決方法。其中飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與本專業(yè)息息相關(guān)，通過本次調(diào)研雖然還不能增加很多專業(yè)技能，但對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計流程和設(shè)計中需要解決的問題有了實(shí)質(zhì)性的了解，對專業(yè)技能培養(yǎng)有非常大的幫助。七 參考文獻(xiàn)1 成曉杰.某型導(dǎo)彈艙段殼體剛度特性分析J.中國空空導(dǎo)彈研究院，2009,2.2 周世平.導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)工藝性實(shí)例分析J.中國航天機(jī)電集團(tuán)公司159廠，2000.3 鮑永杰.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削的若干研究D.大連理工大學(xué)，2006.4 羅志清，王興治，李學(xué)鋒，等.優(yōu)化設(shè)計在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用C.北京：