点载荷强度 [大载荷下舵片的强度分析]

　　摘要： 为在设计过程中对导弹舵片进行强度校核，对存在截面尺寸变化的某导弹舵片进行线性静力分析和塑性分析；当舵片结构因大载荷而发生屈服时，线性静力分析可能会因为应力集中得到不正确的结果，而塑性分析的结果更合理，与试验结果更接近.
　　关键词： 导弹；舵片；强度校核；塑性分析；线性静力分析；应力集中
　　中图分类号： TN828.5；V414.41；TB115.1 文献标志码： B
　　Rudder strength analysis under large load
　　XING Chengyou, ZHOU Ziguang, ZHAO Liangyu
　　(School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
　　Abstract： To carry out strength check on missile rudder in design process, the linear static analysis and plastic analysis with various cross-section dimensions are performed for a missile rudder. When the rudder structure is yielded under large load, the results obtained from the linear static analysis may not be correct because of stress concentration. The results obtained from the plastic analysis are more reasonable and match the test results better.
　　Key words： missile; rudder; strength check; plastic analysis; linear static analysis; stress concentration
　　操纵部件是控制导弹飞行姿态的重要执行机构之一，同时也是导弹结构设计的关键部件之一，与导弹总体气动设计有直接关系.舵片是操纵部件的关键零件之一，通过操纵舵片转动产生足够的气动力矩，保证导弹在飞行中符合靶点弹道设计的飞行姿态.舵片一旦发生失效，将会使导弹偏离预定轨道，进而降低导弹性能甚至导致飞行任务失败.因此，在设计过程中对舵片结构强度进行校核，对导弹的研制具有重要意义.［1-2］在导弹设计中，常要求结构质量在满足安全因数的条件下尽可能轻.舵片为变截面结构，整体结构除底面为平面外均为变截面，受总体结构设计限制，舵片受力面积较小而承受的气动载荷较大；气动设计要求不允许改变受力面状态［3-4］.舵片几何模型见图1.
　　1 线性静力分析
　　根据导弹的总体布局设计和弹道气动力计算与试验，确定舵片的受力面积和最大载荷，从而进行整体受力结构设计，建立某舵片的实体模型.舵片线框
　　见图2，可知，在舵面与舵轴的连接处(即舵面的根部)截面尺寸变化很大. 在舵片的线性静强度分析中，假定舵片材料属性为线性，将分析得到的最大应力与材料的许用应力进行对比，判断所设计的结构能否满足设计要求，若不能，则需对结构进行改进.
　　某舵片材料为30CrMnSi，其材料参数如下：弹性模量为200 000 MPa，泊松比为0.29，许用应力为980 MPa，屈服极限为890 MPa. 在进行有限元计算时，提高网格质量可在一定程度上提高计算结果的精度；但对于精细结构，过密的网格将无法得到可信的结果，反而会增加计算量.用ALGOR生成以六面体为主、局部为四面体的网格，共计10 026个网格单元.有限元网格划分的数据统计见表1.
　　将舵片受到的外载荷均匀加载到舵面上，由于舵轴根部与其他传动机构连接，故可认为其边界条件为舵轴根部全约束，施加外载荷和边界条件后的舵片见图3.
　　图 3 施加外载荷和边界条件后的舵片
　　Fig.3 Rudder applied by external loads and boundary
　　conditions
　　对该模型进行有限元分析，计算得到的应力分布见图4，此时得到的最大应力值发生在节点编号为106处，应力值为1 032 MPa，大于许用应力值980 MPa. 由图4可知，舵片出现局部应力集中（即由于截面尺寸改变引起局部应力增大）现象，最大应力值超过结构许用应力，需改进结构以增加厚度，减小最大应力.用有限元法对应力集中现象进行线性静力分析，其结果不能真实反映结构受力情况［5］；实物加载试验所得应力比线性静力分析所得应力大；有限元法和实物加载试验有相同的结论，即应力集中处为结构最薄弱处，需进行深入分析.
　　2 非线性静力分析
　　塑性变形指金属材料在载荷作用下发生不可逆永久变形的材料特性，是金属材料的典型行为.塑性材料的典型应力-应变曲线示意见图5，屈服点以下部分为弹性区，屈服点以上部分为塑性区，塑性变形不可恢复.
　　2.1 屈服准则
　　屈服准则是用于与单轴测试应力相比较的应力状态标量，只需知道应力状态和屈服准则，通过目前的有限元软件就能确定是否产生塑性应变.屈服准则的值也被称为等效应力，当超过屈服应力时材料将发生塑性变形.
　　2.2 强化准则
　　强化准则描述金属材料初始屈服随塑性应变增加的变化，用于描述如何在塑性流动过程中修正屈服面.等向强化指屈服面以材料中所做塑性功的大小为基础在尺寸上扩张，屈服面在所有方向上均匀扩张.由于等向强化，所以材料在受压方向上的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力.［6-8］