卞亞?wèn)| 宋磊 劉軒秀 劉準(zhǔn) 王聰偉

爆炸螺栓沖擊載荷作用下的捕獲系統(tǒng)力學(xué)性能研究

卞亞?wèn)| 宋磊 劉軒秀 劉準(zhǔn) 王聰偉

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

本文對(duì)爆炸螺栓沖擊載荷作用下的捕獲系統(tǒng)（包含捕獲器、預(yù)緊螺栓）進(jìn)行強(qiáng)剛度分析，研究捕獲系統(tǒng)在不同預(yù)緊力矩/同一沖擊載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，捕獲系統(tǒng)在沖擊載荷作用下，預(yù)緊螺栓、捕獲器的力學(xué)性能響應(yīng)隨著擰緊力矩的變化而變化，在相同沖擊載荷作用下，40N·m擰緊力矩下的捕獲器沖擊受力面的變形量比0N·m擰緊力矩要小，同時(shí)40N·m擰緊力矩下的預(yù)緊螺栓和捕獲器根部應(yīng)力水平也較0N·m擰緊力矩有所降低，局部區(qū)域已達(dá)到塑性變形，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。此次分析研究為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)支撐，該技術(shù)成果可直接應(yīng)用于火工品連接—分離結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

沖擊載荷；捕獲器；預(yù)緊螺栓；力學(xué)性能

0 引言

飛行器內(nèi)具有分離需求的部段間連接通常由爆炸螺栓、分離螺母等火工品實(shí)現(xiàn)，本文主要針對(duì)爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析說(shuō)明。該火工品在分離時(shí)刻通過(guò)點(diǎn)燃爆炸螺栓內(nèi)火藥[1-2]，利用產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈱⒙菟輻U剪切解鎖，實(shí)現(xiàn)飛行器的級(jí)間或頭體分離。在分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為避免分離后爆炸螺栓頭（通常安裝在下面級(jí)部段）在沖擊載荷下對(duì)上面級(jí)造成碰撞、損傷等影響，必須設(shè)置相應(yīng)的控制措施，其中多余物捕獲系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，適用于安裝空間狹小且分離沖擊載荷較大的使用環(huán)境。典型的捕獲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一個(gè)捕獲器和兩個(gè)預(yù)緊螺栓組成，結(jié)構(gòu)形式如“幾”字形，通過(guò)2個(gè)預(yù)緊螺栓安裝固定在下面級(jí)艙段殼體（或安裝基座）上，通過(guò)結(jié)構(gòu)本身實(shí)現(xiàn)對(duì)分離多余物的捕獲，如圖1所示。彈上控制系統(tǒng)發(fā)出分離指令后，爆炸螺栓內(nèi)火藥工作，瞬間將螺桿與螺帽剪切斷開(kāi)，捕獲器捕獲分離后的爆炸螺栓頭，避免其對(duì)飛行器造成磕碰、損傷[3-4]。通過(guò)開(kāi)展爆炸螺栓性能驗(yàn)收試驗(yàn)，測(cè)得分離沖量約30N·s，撞擊持續(xù)時(shí)間較短，約為1ms。

圖1 捕獲系統(tǒng)組成（半剖視圖）

本文針對(duì)爆炸螺栓起爆后的沖擊載荷對(duì)捕獲系統(tǒng)[5]性能的影響，開(kāi)展了沖擊動(dòng)力學(xué)分析研究工作，分析了沖擊-碰撞-變形-回彈全過(guò)程力學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證了該捕獲系統(tǒng)的捕獲性能，提前預(yù)判該系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，并根據(jù)分析結(jié)果提出了后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 建立模型

1.1 預(yù)緊力計(jì)算

表1 不同擰緊力矩對(duì)應(yīng)的螺栓預(yù)緊力

1.2 邊界條件施加

本文采用Abaqus有限元分析軟件[6]，采用顯示分析仿真方法，對(duì)結(jié)構(gòu)施加沖擊載荷來(lái)計(jì)算捕獲器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，選取簡(jiǎn)單的螺栓連接結(jié)構(gòu)驗(yàn)算不同預(yù)緊力下捕獲器受沖擊載荷的響應(yīng)。為減少網(wǎng)格數(shù)量，提升運(yùn)算速度，將螺栓簡(jiǎn)化為圓柱，真實(shí)模擬螺栓連接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，將各個(gè)接觸面均設(shè)為面—面接觸/有限滑移。邊界條件施加步驟如圖2所示。

圖2 邊界條件施加步驟

1.3 結(jié)構(gòu)材料屬性

針對(duì)沖擊、振動(dòng)的變載荷的連接使用工況，本文采用05Cr17Ni4Cu4Nb作為預(yù)緊螺栓、捕獲器材料，爆炸螺栓頭采用1Cr11Ni2W2MoV材料，安裝基座采用ZL114A材料，捕獲器通過(guò)2個(gè)M10預(yù)緊螺栓安裝在安裝基座上。通過(guò)材料手冊(cè)查得各材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型的材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算工況

爆炸螺栓分離沖量最大為30N·s，分離螺栓頭（下面級(jí)）質(zhì)量為0.71kg，根據(jù)公式=/=30/0.71=42.3m/s，計(jì)算工況為當(dāng)預(yù)緊力為0N，以及23800N時(shí)，爆炸螺栓頭速度均為42.3 m·s-1。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算工況[7]，分析捕獲器結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，給出爆炸螺栓運(yùn)動(dòng)位移最大時(shí)刻捕獲器及預(yù)緊螺栓的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可知，40N·m擰緊力矩下，捕獲系統(tǒng)最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在預(yù)緊螺栓根部區(qū)域，應(yīng)變值已達(dá)26.7%，進(jìn)入塑性應(yīng)變，捕獲器根部最大應(yīng)變高達(dá)4.0%；0N·m擰緊力矩下，捕獲系統(tǒng)最大應(yīng)力和最大應(yīng)變也均出現(xiàn)在預(yù)緊螺栓根部區(qū)域，應(yīng)變值已達(dá)28.3%，進(jìn)入塑性應(yīng)變，捕獲器根部最大應(yīng)變高達(dá)4.93%，兩種工況下捕獲系統(tǒng)均已進(jìn)入塑性變形，在不增加系統(tǒng)緩沖裝置[8]的前提下存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。取捕獲器受沖擊受力面和預(yù)緊螺栓根部應(yīng)力變化較大的節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，輸出該節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。

圖3 最大應(yīng)力云圖

圖4 最大應(yīng)變?cè)茍D

由圖5可知，不同擰緊力矩下捕獲器在承受爆炸螺栓沖擊載荷作用時(shí)，其應(yīng)力變化是隨時(shí)間震蕩。經(jīng)濾波后可以看出，捕獲器和預(yù)緊螺栓在沖擊載荷的作用下，40N·m擰緊力矩下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值普遍低于0N·m擰緊力矩工況，具體如下：捕獲器：40N·m擰緊力矩下最大應(yīng)力值為810.9MPa，0N·m擰緊力矩下最大應(yīng)力值為731.6MPa，前者高出后者10.84%，但隨著時(shí)長(zhǎng)增加，兩種不同力矩下應(yīng)力分布逐步平緩，40N·m擰緊力矩下中間值為364.2MPa，0N·m擰緊力矩下最大應(yīng)力值為400.5MPa，后者高出前者10.0%；預(yù)緊螺栓：40N·m和0N·m擰緊力矩下最大應(yīng)力值基本一致，為1300MPa，超出材料許用屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生塑性變形，但隨著時(shí)長(zhǎng)增加，兩種不同力矩下應(yīng)力分布逐步平緩，40N·m擰緊力矩下中間值為838.8MPa，0N·m擰緊力矩下中間值為669.2MPa，前者高出后者25.3%。

圖5 應(yīng)力變化曲線(xiàn)

取捕獲器上受力面中心節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，輸出捕獲器變形量曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 捕獲器變形量（受力面中心）

可知捕獲器達(dá)到位移最大時(shí)刻基本一致，為6.75e-4s。40N·m預(yù)緊捕獲器對(duì)應(yīng)變形為1.43mm，0N·m預(yù)緊捕獲器對(duì)應(yīng)變形為1.56mm，兩者相對(duì)變化率為9.1%。同時(shí)通過(guò)位移曲線(xiàn)對(duì)比，爆炸螺栓在4.5e-4s時(shí)刻開(kāi)始撞擊捕獲器，在6e-4s捕獲器達(dá)到最大彈性變形，隨后至6.75e-4s期間為塑性變形過(guò)程。從6.75e-4s至1.2e-3s期間捕獲器結(jié)構(gòu)件做往復(fù)回彈變形，不同擰緊力矩下捕獲器變形量基本相當(dāng)。從1.2e-3s后不同擰緊力矩下捕獲器結(jié)構(gòu)變形量線(xiàn)性下降，但兩者的差值基本穩(wěn)定一致，約為0.1mm。

3 試驗(yàn)

為了對(duì)比研究上文分析結(jié)果，針對(duì)圖1所示爆炸螺栓+捕獲系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)共3次，每次參試產(chǎn)品為4組。試驗(yàn)過(guò)程中，爆炸螺栓起爆解鎖，螺栓頭沖擊捕獲系統(tǒng)后，引起捕獲器及預(yù)緊螺栓變形，圖7所示為參試產(chǎn)品試驗(yàn)后典型狀態(tài)。結(jié)果表明：第1次和第3次中各出現(xiàn)1組參試產(chǎn)品發(fā)生捕獲器或預(yù)緊螺栓在根部發(fā)生斷裂現(xiàn)象，結(jié)合前期沖擊動(dòng)力學(xué)仿真分析，其塑性變形趨勢(shì)、斷裂模式與分析結(jié)果基本一致。

圖7 爆炸螺栓沖擊后捕獲系統(tǒng)狀態(tài)

4 結(jié)論

本文針對(duì)不同擰緊力矩下的捕獲系統(tǒng)承受沖擊載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：1）40N·m擰緊力矩下的捕獲系統(tǒng)受沖擊載荷作用下應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)比0N·m條件下的要低，同時(shí)40N·m擰緊力矩下的捕獲器受沖擊受力面變形量也比0N·m條件下的要小。2）捕獲器受沖擊受力面在沖擊載荷作用下做往復(fù)震蕩變形后趨于平穩(wěn)，在此期間不同力矩下的捕獲器變形量基本相當(dāng)。3）純剛性結(jié)構(gòu)件用于承受沖擊載荷作用風(fēng)險(xiǎn)較大，捕獲器和預(yù)緊螺栓根部應(yīng)力值較大，已進(jìn)入塑性變形，存在斷裂可能。

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Study on Mechanical Properties of Capture System under Impact Load of Explosion Bolt

BIAN Ya-dong SONG Lei LIU Xuan-xiu LIU Zhun WANG Cong-wei

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076, China)

The strength and stiffness of the capture system (including the capture device and the pre-tightening bolt) under the impact load of explosive bolt are analyzed. And the mechanical response of the capturing system under different pre-tightening moments/the same impact load is studied. The results show that the capturing system under impact load, pre-tightening bolt and catcher change with the change of pre-tightening torque, and under the same impact load, 40N·m torque to capture the impact force under the deformation is smaller than 0N·m torque, at the same time under 40N·m torque pre-tightening bolt and the capture of the root stress level is 0N·m torque decreases, the local area has reached the plastic deformation or even fracture risk. The technical achievement can be directly applied to the connecting separating structure system of initiating explosive devices, and has wide application value.

Impact load; Capture system; Pre-tightening bolt; Mechanical properties

TH122,V416.5

A

1006-3919(2021)04-0026-04

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.005

2021-05-21；

2021-06-28

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2016203B032）

卞亞?wèn)|（1989—），男，工程師，研究方向：導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)；（100076）北京9200信箱1分箱-1.