炮彈集裝箱結構設計及模態分析

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摘要：為了解決炮彈安全可靠地集中化運輸問題，根據炮彈結構特點及外圓柱表面定位原理，本文設計了環形裝夾裝置用于固定炮彈，設計了內置多層可拖拽“小車”裝置的集裝箱實現集中倉儲及運輸。對整體結構進行了三維化建模，并采用有限元軟件對三維模型中重要零部件進行了強度校核，同時對整體結構進行了模態分析。經計算，箱架結構最大應力為85.546MPa，小于材料的極限屈服強度，強度滿足設計要求；含炮彈的集裝箱系統的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內，超過路面激勵頻率，運輸過程中不會發生共振，避免了因共振造成的結構損壞問題，提高了運輸過程中系統的安全可靠性。

關鍵詞：炮彈運輸；集裝箱；結構設計；模態分析

作者：饒兵1 顏弋凡2 孫思達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中國兵工物資集團有限公司

3駿安供應鏈科技有限公司

一

引言

炮彈在運輸途中常面臨振動與沖擊載荷的持續作用，易導致彈體結構產生塑性變形，并加速其疲勞損傷的累積，進而影響裝備使用性能與存儲可靠性。因此，對炮彈集裝箱進行結構設計，并對其進行有限元分析，驗證其在運輸過程中關鍵部件的強度與剛度穩定性是否符合設計要求，可為相關裝備在全生命周期運輸階段的完整性與安全性提供保障。

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

針對炮彈安全可靠地集中化運輸問題，本文基于SolidWorks軟件構建炮彈集裝箱三維模型，并借助Ansys Workbench軟件開展靜力學與模態分析。通過靜力學分析炮彈集裝箱關鍵零部件的應力、變形位移分布情況，利用模態分析求解其模態情況，從而為炮彈集裝箱的后續結構設計提供參考。

二

炮彈集裝箱結構設計

目前，炮彈主要的運輸方式是將若干枚（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”結構進行運輸。該種貨垛方式便于倉儲及倉儲間運輸，但實際使用（訓練、作戰）時并不便利，無法實現快速運輸與拆卸。為了解決該問題，本文設計了一種集裝箱化的運輸裝置。集裝箱化運輸裝置以集裝箱為主體結構，箱內設置有3層鋁合金材質的箱架，每層箱架上安裝8個可拖拽小車，每個小車上可裝夾兩發炮彈。為了便于陸路運輸，箱體的整體尺寸參數設計為2033mm×1960mm×1960mm，該尺寸便于安裝在小型運輸車輛上。集裝箱箱角采用標準固定鎖扣，足以保證運輸時集裝箱的整體結構穩定，還可以利用鎖扣實現集裝箱堆碼。同時，集裝箱的小尺寸屬性可實現其在大型運輸車輛或火車上單層多個并排安裝，配合碼垛實現超大量的集中運輸。利用建模軟件SolidWorks建立炮彈集裝箱結構的宏觀三維模型，具體如圖1所示。

圖1 炮彈集裝箱的結構圖

設計并設置可拖拽小車裝置的目的主要是優化炮彈取放流程，具體結構如圖2(a)所示。可拖拽小車下有3對滾輪，采用C型導軌對滾輪滾動限位與導向，保證可拖拽小車的移動順滑，進而便于將裝夾在小車尾部的第二枚炮彈取出。

圖2 可拖拽小車及環形夾具結構圖

為了保證炮彈在運輸過程中保持穩定，采用了環形夾具對炮彈進行裝夾固定。環形夾具具有上下兩部分，均具有半圓形內表面，具體結構如圖2(b)所示。環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的可拖拽小車車架上，其半圓形內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。環形夾具上半圓部分主要起夾緊作用，其一端通過鉸接結構與下半圓部分進行可轉動鉸接，另一端設有通孔，放置好炮彈后通過螺栓連接將上、下兩個半圓部分進行擰緊固定。為了減小運輸過程中炮彈因路面不平受到的沖擊力，在環形夾具的內表面粘結了橡膠墊，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其他危險事故外，還可以增加摩擦，降低夾緊松動時發生滑動的可能。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，每枚炮彈使用兩個環形夾具，分別對彈體的前端和尾部進行固定，進一步保證了炮彈的安全、穩定性。

圖3 炮彈集裝箱簡化后結構圖

整體結構簡單的炮彈集裝箱結構中包含繁多的零件、部件，但部分零件、部件對于仿真分析結果影響甚微。這些零部件不僅會給仿真分析的前處理階段帶來不必要的麻煩，而且因網格數量過大、接觸單元過多會致使計算不易收斂。為了保證靜力學分析及動力學分析能夠順利進行，需對集裝箱結構進行以下簡化處理：省略與連接功能直接相關的特征，如螺紋、螺栓及各類連接，這類結構中微小尺寸較多，會致使單元格小且多；對模型質量特性和結構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構特性；此外，還有省略閥門、鎖扣等類似附件，這類結構總體質量占比很小，在劃分網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，同樣進行省略處理，只保留結構的主要特征。經簡化后的炮彈集裝箱結構如圖3所示。

三

炮彈集裝箱的靜力學分析

1.炮彈集裝箱有限元模型

炮彈集裝箱結構主要由箱體、箱架、炮彈、導軌、可拖拽小車、橡膠墊以及其他附件構成，各主要部件的材料屬性見表1。

表1 炮彈集裝箱各部分結構材料參數

將簡化后的炮彈集裝箱模型導入有限元分析軟件ANSYS Workbench進行網格劃分。網格劃分的合理性直接決定計算結果的精確程度，這是計算分析的重要基礎。在對炮彈集裝箱進行網格劃分時，整體結構選用四面體網格、采用自由劃分模式進行劃分。劃分網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個節點，354448個單元。完成網格劃分后，在做相關分析前需要進一步對有限元模型進行約束定義，建立模型內各部件間的連接關系。根據實物中各部件的位置及裝配關系，將箱體與箱架的接觸部位設置為綁定約束，其余部件則根據彼此間的運動特性，建立綁定、耦合等適配的約束關系。

圖4 劃分網格的炮彈集裝箱有限元模型

2.箱架的靜力學分析

在運輸過程中，炮彈集裝箱會承受穩態慣性荷載，因此用Ansys Workbench對集裝箱進行靜力學分析，計算集裝箱箱架在受外部載荷時的應力分布情況和變形情況，判斷箱架設計的合理性。

圖5 箱架靜力學結果

在對炮彈集裝箱箱架進行有限元分析的過程中，首先對其施加約束，將箱體底部進行固定約束，研究箱架的變形位移和應力云圖，分析結果如圖5所示。圖5(a)呈現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力，從中能夠得知，該系統在載荷作用力下，其應力最大值為54.383MPa。圖5(c)是箱架豎槽的總變形，所發生的最大變形大概為0.0435mm；圖5(d)是箱架豎槽的最大主應力，其最大值為85.546MPa。箱架橫梁和豎槽的變形值較小，二者均符合設計要求。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力都小于其材料的屈服強度，所以該箱架的靜強度符合設計要求。

四

炮彈集裝箱的模態分析

模態分析用于確定炮彈集裝箱系統的固有頻率和振型，是結構防共振破壞設計的主要依據[6]。

1.模態分析理論

炮彈集裝箱系統的動力學方程為：

式中：[M]為質量矩陣；[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)是激勵載荷向量。因為系統的結構阻尼對結構的頻率和振型影響很小，因此可取阻尼[C]為零。做模態分析時需要忽略外力，所以令外部激勵力F(t)為零，則式(1)將化簡為：

對于線性系統，令

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

對公式(4)進行求解，可得出炮彈集裝箱在第i階的固有頻率和振型。

2.模態結果分析

對于炮彈集裝箱而言，低階模態是系統結構振動較大的模態，尤其是對結構安全影響最大的共振通常出現在低階模態的固有頻率附近。因此，文中提取了炮彈集裝箱前6階模態進行分析，炮彈集裝箱的前6階固有頻率見表2。炮彈集裝箱的振動特性決定了其在承受外載荷時的工作狀態，根據炮彈集裝箱固有頻率及振型特點可以看出，炮彈集裝箱的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內。

表2 集裝箱固有頻率

炮彈集裝箱前6階固有頻率對應的振型如圖6所示。炮彈集裝箱第1階振型表現為箱體內部最上面的梁向下產生彎曲變形；第2階振型表現為箱體內部中間層的梁向下產生彎曲變形；第3階振型為箱體內部最上面一層炮彈前傾變形；第4階振型為箱體內部中間層炮彈前傾變形；第5階振型為箱體左右兩側面變形；第6階振型為箱體底部的撓曲變形。在系統變形比例設置一致的情況下，第3階模態和第4階模態的振型中部件的振動位移較大，意味著共振振幅較大，實際運輸時應避免箱架受到22.765Hz和23.018Hz這兩個頻率的激勵。

圖6 炮彈集裝箱前6階振型

五

結論

本文設計了搭載可拖拽小車的炮彈集裝箱，可實現運輸過程中對炮彈的集中裝夾、存儲。通過有限元分析，明確了集裝箱箱架的最大應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度，設計安全可靠。另外，炮彈集裝箱的前6階固有頻率分布在17~35Hz范圍內，激勵頻率在23Hz左右時容易引發劇烈共振，實際運輸時應合理調整車速，避開該頻率的路面激勵。

參考文獻:

[1]許誠,侯志強,李善高,等.飛航導彈運輸過程中的動力學計算[J].兵工學報,2002,23(2):219-223.

[2]吳邵慶,艾洪新,郭應征.路面激勵下彈體-運輸車耦合振動分析[J].東南大學學報(自然科學版),2013, 43(5):1055-1061.

[3]李霄,左莉,陳顯波,等.火工品包裝箱抗震性能的線性動力學分析[J].包裝工程, 2013, 34(11): 63-67.

[4]李恩奇,唐國金,雷勇軍,等.X型固體導彈公路運輸隨機響應分析與減振方法[J].暨南大學學報(自然科學與醫學版), 2005, 26(1): 50-54.

[5] 邱莎莎,蔡建,張恒翔.導彈緩沖包裝設計與選材[J].包裝工程, 2011,32(9): 44-46.

[6]袁惠群,陶文斌,龍哲,等.某新型導彈包裝箱動力學特性分析[J].包裝工程,2019,40(05):124-130.

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編輯、排版：王茜

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