某型發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度分析?

（92941部隊41分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

發(fā)射裝置基座作為武器系統(tǒng)的載體，是連接設(shè)備和艦船本體的主要結(jié)構(gòu)體，是一個極為關(guān)鍵的受力部件，它既要承受裝置設(shè)備的動靜載荷，又要傳遞艦船所受載荷，受力情況十分復(fù)雜[1]，特別是在武器發(fā)射過程中，尾焰會給基座結(jié)構(gòu)造成強大的沖擊[2]。因此，艦上設(shè)備安裝基座除要求具有較好的強度外，還要求具有較好的剛度，使安裝基座在相同的外力條件作用下，各向變形量最小。這對于回轉(zhuǎn)精度要求較高的發(fā)射裝置而言尤為重要。本文通過分析影響發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度的各種因素，考慮到基座不同的變形方式，對基座提出了角剛度和線剛度兩種要求，并對基座剛度的計算方法進(jìn)行探討。

2 影響基座剛度計算的因素

影響發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度的主要因素有：由艦船搖擺運動引起的慣性搖擺載荷、風(fēng)載荷、發(fā)射裝置產(chǎn)生的調(diào)轉(zhuǎn)力矩和摩擦力矩、導(dǎo)彈發(fā)射時對發(fā)射架的沖擊影響等[3]。由于某型發(fā)射裝置在調(diào)轉(zhuǎn)狀態(tài)下比導(dǎo)彈發(fā)射狀態(tài)下對基座產(chǎn)生的力矩更大，考慮到最惡劣情況，因此將發(fā)射裝置滿載調(diào)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)作為計算狀態(tài)。

2.1 坐標(biāo)系建立

計算坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 計算坐標(biāo)系

圖1中，原點o為通過某發(fā)射架幾何中心所作的兩個鉛垂面與發(fā)射架艦上安裝基座上表面的交點；ox平行于甲板，指向艦艏；oz垂直于甲板，指向上方；oy平行于甲板，且ox、oy、oz成右手直角坐標(biāo)系。

2.2 慣性搖擺載荷

2.2.1 慣性搖擺系數(shù)計算

載荷系數(shù)是艦船結(jié)構(gòu)或設(shè)備由于重力加速度和艦船運動加速度使其在縱向、橫向和垂向上受到的載荷與重力的比值[4]。艦船慣性搖擺系數(shù)可用下式計算：

2.2.2 慣性搖擺載荷計算

慣性搖擺載荷是由艦艇搖擺運動引起的載荷，與艦艇搖擺運動產(chǎn)生的加速度密切相關(guān)，無論是何種發(fā)射裝置，只要艦艇在風(fēng)浪中存在著搖擺運動，發(fā)射裝置的任何部分都會受到搖擺慣性載荷的作用，經(jīng)受長時間海上復(fù)雜氣象環(huán)境條件的影響[5]。

則發(fā)射架產(chǎn)生的慣性搖擺載荷為

式中，Px為計算坐標(biāo)系中x方向發(fā)射架產(chǎn)生的慣性搖擺載荷（N）；Py為計算坐標(biāo)系中y方向發(fā)射架產(chǎn)生的慣性搖擺載荷（N）；Pz為計算坐標(biāo)系中z方向發(fā)射架產(chǎn)生的慣性搖擺載荷（N）；m發(fā)射架為發(fā)射架滿載質(zhì)量（Kg）。

2.3 風(fēng)載荷

發(fā)射裝置在艦上工作環(huán)境為露天工作，應(yīng)考慮風(fēng)載荷對發(fā)射裝置的影響。風(fēng)載荷的大小與發(fā)射裝置的計算部位、迎風(fēng)面積和使用環(huán)境的風(fēng)速大小等因素有關(guān)[6]。艦上露天工作環(huán)境中發(fā)射裝置所受到的風(fēng)載荷為

2.4 發(fā)射裝置調(diào)轉(zhuǎn)力矩

將發(fā)射裝置滿載調(diào)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)作為計算狀態(tài)，高低角為0°。則發(fā)射裝置產(chǎn)生的最大調(diào)轉(zhuǎn)力矩為

2.5 摩擦阻力矩

2.5.1 高低摩擦阻力矩計算

2.5.2 方向摩擦阻力矩計算

3 基座角剛度分析計算

由于發(fā)射裝置自重及外載荷作用下會產(chǎn)生高低傾覆力矩和方向扭轉(zhuǎn)力矩，使艦上安裝基座發(fā)生角變形。若艦上安裝基座角剛度不足，則會產(chǎn)生較大的變形角度，對發(fā)射裝置的俯仰、方位的系統(tǒng)精度造成影響[7～8]。因此，對艦上發(fā)射裝置安裝基座的角剛度指標(biāo)提出要求是十分必要的。

3.1 基座高低角剛度分析計算

艦上發(fā)射裝置安裝基座的高低角剛度由高低傾覆力矩引起。計算高低傾覆力矩時，應(yīng)考慮慣性搖擺力矩、發(fā)射裝置高低調(diào)轉(zhuǎn)力矩、高低摩擦阻力矩、風(fēng)載力矩等因素對基座的影響。由于發(fā)射架重心較低，迎風(fēng)面積為對稱結(jié)構(gòu)，近似認(rèn)為風(fēng)載荷作用在發(fā)射架質(zhì)心上，以便于計算。現(xiàn)將xz和yz兩個平面上所有力矩進(jìn)行空間合成?？傻贸龈叩蛢A覆力矩M傾覆為

式中，xG為發(fā)射架質(zhì)心在計算坐標(biāo)系中x方向數(shù)值（m）；zG為發(fā)射架質(zhì)心在計算坐標(biāo)系中z方向數(shù)值（m）。

由基座傾覆變形引起的最大允許高低角變形量為?高低變形角，數(shù)值由系統(tǒng)指向精度決定。

則高低角剛度K高低角剛度為

3.2 基座方向角剛度分析計算

艦上發(fā)射裝置安裝基座的方向角剛度由方向扭轉(zhuǎn)力矩引起。計算方向扭轉(zhuǎn)力矩時，應(yīng)考慮慣性搖擺力矩、發(fā)射裝置方向調(diào)轉(zhuǎn)力矩、方向摩擦阻力矩、風(fēng)載力矩等因素對基座的影響。由于發(fā)射架重心較低，迎風(fēng)面積為對稱結(jié)構(gòu)，近似認(rèn)為風(fēng)載荷作用在發(fā)射架質(zhì)心上，以便于計算?？傻贸龇较蚺まD(zhuǎn)力矩M扭轉(zhuǎn)為

式中，yG為發(fā)射架質(zhì)心在計算坐標(biāo)系中y方向數(shù)值（m）。

由基座扭轉(zhuǎn)變形引起的最大允許方向角變形量為?方向變形角，數(shù)值由系統(tǒng)指向精度決定。

則方向角剛度K方向角剛度為

4 基座線剛度分析計算

發(fā)射裝置在外載荷作用下會產(chǎn)生水平和垂直方向上的線性變形，因此，對艦上安裝基座還必須進(jìn)行線剛度計算。

4.1 水平線剛度分析計算

計算艦上發(fā)射裝置安裝基座的水平方向線剛度時，應(yīng)考慮慣性搖擺載荷、風(fēng)載荷等因素對基座的影響。則基座水平方向受到的合力F水平為

由基座受水平力引起的最大允許水平方向線性變形量為?水平變形量，數(shù)值由系統(tǒng)指向精度決定。

則水平線剛度K水平線剛度為

4.2 垂直線剛度分析計算

計算艦上發(fā)射裝置安裝基座的垂直方向線剛度時，應(yīng)考慮慣性搖擺載荷因素對基座的影響。則基座垂直方向受到的合力F垂直為

由基座受垂直力引起的最大允許垂直方向線性變形量為?垂直變形量，數(shù)值由系統(tǒng)指向精度決定。

則垂直線剛度K垂直線剛度為

5 某型發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度計算例

某型發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度計算條件如下。

1）以九級海況下為典型計算環(huán)境，按照幅值最小，周期最短的極端情況選取，結(jié)合發(fā)射裝置在艦上的安裝位置可得，慣性搖擺系數(shù)為X=0.3，Y=0.8 ，Z=1.0 ± 0.3 ；

2）某型發(fā)射裝置設(shè)計參數(shù)如下：m發(fā)射架=8000kg，m高低=4000kg，A縱x=5m2，A橫y=7m2，Jy=4500Kg·m2，Jz=8000Kg·m2，??dm=60°/s2，q?dm=120°/s2，T=5000N，μ高低=μ方向=0.01，D高低=0.5m，D方向=1.8m，xG=yG=0.1m，zG=1.8m；

3）系統(tǒng)總體指向精度允許的變形量如下：

按本文介紹的統(tǒng)計方法進(jìn)行計算，對某型發(fā)射裝置艦上安裝基座的角剛度和線剛度提出的指標(biāo)要求如下：

6 結(jié)語

本文在對某型發(fā)射裝置艦上安裝基座剛度的分析過程中，考慮到了最惡劣的情況，通過各種影響因素的統(tǒng)計分析[9]，將重力和慣性力等引起的變形量控制在一定范圍[10]，計算結(jié)果在實際應(yīng)用中是較為安全可靠的，后續(xù)可采用輕質(zhì)高強材料和合理的簡化結(jié)構(gòu)等措施進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化以尋求更優(yōu)化設(shè)計[11]。通過本文的相關(guān)論述，使艦上發(fā)射裝置安裝基座的剛度分析計算有一個比較具體的理論依據(jù)，對同類型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的借鑒意義和參考價值[12]。