尤裕榮，杜大華，袁洪濱，王春民

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

電爆閥包括常開式與常閉式兩種結(jié)構(gòu)類型，是一種采用火藥爆炸釋放出的高溫、高壓氣體和沖擊波來驅(qū)動(dòng)啟閉件運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打開或關(guān)閉功能的閥門。由于電爆閥采用火工裝置進(jìn)行操縱，而火工裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高等特點(diǎn)，并且功耗小，作用時(shí)間短，同步性高。因此，在航天飛行器上廣泛采用電爆閥對(duì)各種流體系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)航天器的飛行起著關(guān)鍵作用。由于電爆閥電爆啟動(dòng)動(dòng)作非常快，響應(yīng)時(shí)間極短，再加上測(cè)量手段的限制，因此對(duì)電爆閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究開展的相對(duì)較少，運(yùn)動(dòng)過程尚不十分清楚，而采用仿真技術(shù)可深入研究電爆閥的啟動(dòng)工作過程，并且可以用于分析和確定出現(xiàn)故障的原因以及改進(jìn)措施有效性的一種評(píng)估手段。同時(shí)，通過仿真分析可以更好地了解電爆閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與啟閉件的撞擊變形情況，為提高電爆閥及系統(tǒng)的可靠性提供分析依據(jù)。

1 電爆閥工作原理

所使用的電爆閥工作原理如圖1所示。該電爆閥為常閉式高壓電爆閥，電爆管未通電前，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)流體通道需要打開時(shí)，給電爆管通電，電爆管起爆后產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)饧皼_擊波推動(dòng)活塞迅速向右移動(dòng)并切斷閥芯，流道打開。活塞錐面接觸到殼體內(nèi)腔錐面后，在慣性和燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟伦矒?、楔入殼體內(nèi)腔錐面，使活塞與殼體發(fā)生變形，活塞可靠鎖緊并形成密封，防止流體介質(zhì)外漏。

該電爆閥在實(shí)現(xiàn)打開流體通道后，其另外一個(gè)主要功能是保證活塞與殼體之間楔緊所形成的可靠密封，而影響活塞與殼體之間楔緊密封性的因素主要有：電爆管爆壓特性、電爆閥出口背壓以及活塞與殼體材料性能等。因此，通過對(duì)電爆閥電爆啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真以及活塞與殼體撞擊過程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)影響活塞與殼體楔緊密封的因素進(jìn)行比較分析，可為進(jìn)一步改進(jìn)和提高電爆閥的可靠性提供指導(dǎo)。

2 電爆試驗(yàn)與特性仿真

電爆閥的電爆試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。主要考慮模擬電爆閥實(shí)際的工作系統(tǒng)要求，電爆閥進(jìn)口與氣瓶相連，出口連接一段封閉管路，其中氣瓶容積為1 L，電爆閥進(jìn)口管路長(zhǎng)約600 mm，出口管路長(zhǎng)約330 mm，進(jìn)出口管路都為內(nèi)徑4 mm的不銹鋼管，工作氣體介質(zhì)為氦氣。由于電爆閥電爆啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程非常之快，特別是電爆管起爆過程極為復(fù)雜，以目前現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，測(cè)量燃?xì)馇坏南嚓P(guān)參數(shù)變化存在較大困難，同時(shí)系統(tǒng)工作壓力很高，造成對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)位移的直接測(cè)量也存在一定困難。

圖2 電爆閥電爆試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of pyro-valve experiment system

因此，根據(jù)電爆管模擬容腔爆壓試驗(yàn)結(jié)果，反算至電爆閥電爆前燃?xì)馇蝗莘e所對(duì)應(yīng)的爆壓取值為120 MPa。在仿真計(jì)算過程中，忽略傳熱的影響，氣體狀態(tài)變化為絕熱過程。另外，從發(fā)出電爆指令到燃?xì)馇唤▔汉突钊袛嚅y芯時(shí)刻考慮3 ms延遲，且假設(shè)活塞切斷閥芯后，認(rèn)為活塞推動(dòng)閥芯一起移動(dòng)。

仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，從中可以看出氣瓶壓力與電爆閥出口壓力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，電爆閥出口壓力建壓時(shí)間與氣瓶壓力下降時(shí)間都為5.7 ms，試驗(yàn)記錄表明電爆閥出口壓力存在一定波動(dòng)。另外，通過試驗(yàn)測(cè)量得到的振動(dòng)和沖擊加速度變化趨勢(shì)反映出從電爆管起爆到活塞碰上殼體的響應(yīng)時(shí)間約為0.26 ms，與仿真計(jì)算得到的活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.23 ms相接近（見圖4），進(jìn)一步表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相一致。

圖3 電爆閥試驗(yàn)壓力與仿真結(jié)果比較Fig.3 Comparison of pressure test and simulation results of pyro-valve

圖4 活塞運(yùn)動(dòng)位移與速度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of piston displacement and velocity

3 活塞撞擊變形分析

活塞的鎖緊程度取決于活塞撞擊殼體時(shí)所產(chǎn)生的變形量，它是反映活塞與殼體之間密封性以及電爆閥工作可靠性的重要特征。另外，活塞的撞擊變形量與電爆管差異性、活塞與殼體材料性能以及電爆閥出口壓力條件等密切相關(guān)。對(duì)活塞撞擊殼體產(chǎn)生變形的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真計(jì)算，分析不同的使用條件對(duì)其撞擊變形量的影響。

為了比較不同的材料性能與電爆管爆壓范圍等條件對(duì)變形量計(jì)算結(jié)果的影響，分別采用2批次材料與電爆管組合而成的電爆閥產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，其中2批次電爆閥活塞與殼體材料的力學(xué)性能見表1所示，A批次電爆管爆壓范圍為81.4～120.8 MPa，B批次電爆管爆壓范圍為73.1～141.9 MPa。

表1 電爆閥活塞與殼體材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanics performance of materials of pyro-valve piston and valve body

活塞與殼體的碰撞和沖擊過程是一個(gè)復(fù)雜的高度非線性問題，其中撞擊運(yùn)動(dòng)過程包括材料非線性、邊界非線性及幾何非線性等瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題。若對(duì)電爆閥的整個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和撞擊工作過程進(jìn)行完整的模擬和仿真，則具有很大的困難，因此，本文的做法是先對(duì)電爆閥的活塞動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算，得到活塞與殼體接觸時(shí)刻的速度、燃?xì)馇粔毫σ约伴y腔壓力，作為活塞與殼體撞擊過程強(qiáng)度分析計(jì)算的初始邊界條件，進(jìn)而對(duì)活塞的撞擊運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算分析。電爆閥的軸對(duì)稱計(jì)算模型見圖5。采用Abaqus軟件對(duì)電爆閥電爆后活塞運(yùn)動(dòng)撞擊殼體的過程進(jìn)行模擬，得到活塞與殼體的撞擊變形情況，見圖6。

圖5 電爆閥活塞與殼體撞擊計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of piston impact on pyro-valve body

圖6 活塞與殼體撞擊變形情況Fig.6 Impact deformation of piston and valve body

3.1 電爆管對(duì)變形量的影響

電爆管作為電爆閥的啟動(dòng)和驅(qū)動(dòng)能量裝置其特性與電爆閥的工作可靠性密切相關(guān)。為了分析電爆管特性的差異性對(duì)電爆閥工作性能的影響，這里采用001批電爆閥活塞與殼體材料與A和B批次電爆管組合成001/A與001/B的電爆閥產(chǎn)品狀態(tài)，對(duì)不同的電爆閥入口壓力工況下的性能特性進(jìn)行仿真計(jì)算，由此得到了不同批次的電爆管對(duì)活塞變形量的影響，見圖7所示，其中變形量上下限對(duì)應(yīng)為電爆管爆壓上下限計(jì)算結(jié)果。

圖7 電爆管對(duì)活塞變形量影響比較Fig.7 Influence of different initiators on piston impact deformation

對(duì)001/A與001/B批次電爆閥產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果比較，可知電爆管B爆壓帶寬相對(duì)于電爆管A的爆壓帶寬上下偏差分別為+53.5%與-21%，對(duì)應(yīng)的活塞變形量帶寬上下偏差約為+42%與-34%。由此可見，電爆管爆壓范圍對(duì)活塞變形量大小存在較大的影響。

3.2 材料性能對(duì)變形量的影響

對(duì)001/B與002/B電爆閥產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行比較計(jì)算，得到了不同的材料性能對(duì)活塞變形量的影響見圖8所示。由活塞與殼體材料性能可知，001批活塞強(qiáng)度高于002批，且殼體強(qiáng)度比002批低，理論上分析，001/B電爆閥的變形量應(yīng)該大于電爆閥002/B，但從計(jì)算結(jié)果可以看出，在電爆管的爆壓下限計(jì)算得到的001/B電爆閥變形量基本上都大于電爆閥002/B，而在電爆管的爆壓上限計(jì)算得到的變形量?jī)烧吒饔懈叩?，但相差很小。由以上分析結(jié)果可知：在電爆管爆壓較低的情況下，材料性能對(duì)活塞與殼體撞擊變形量影響稍大些；而在電爆管爆壓高的情況下，材料性能對(duì)變形量影響不大，即活塞與殼體的材料性能不是影響電爆閥工作可靠性的主導(dǎo)因素。

圖8 材料性能對(duì)活塞變形量影響比較Fig.8 Influence of different material characteristics on piston impact deformation

3.3 出口壓力對(duì)變形量的影響

前面的計(jì)算工況都是基于額定工作工況，即電爆閥出口壓力為4 MPa的條件計(jì)算得到的結(jié)果。為了分析出口壓力條件對(duì)電爆閥工作可靠性的影響，對(duì)電爆閥入口壓力30 MPa，出口壓力分別為4 MPa和30 MPa條件下，比較了001/B，002/B和001/A三種電爆閥產(chǎn)品狀態(tài)的活塞與殼體撞擊變形量，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由以上分析知，在電爆閥出口壓力為30 MPa條件下，001/B，002/B與001/A三種電爆閥產(chǎn)品狀態(tài)下的變形量比出口壓力為4 MPa工況，減小的均值分別為－52%，－50%和－73%。由此表明了電爆閥出口壓力對(duì)活塞與殼體撞擊變形量存在很大影響，即出口壓力越高，則活塞變形量越小，對(duì)其楔緊越不利，電爆閥可靠性隨之降低。

圖9 出口壓力對(duì)活塞變形量影響比較Fig.9 Influence of different valve outlet pressure on piston impact deformation

4 結(jié)論

通過對(duì)電爆閥啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。在此基礎(chǔ)上，對(duì)電爆閥啟動(dòng)工作過程中活塞與殼體的碰撞行為進(jìn)行顯式非線性動(dòng)力學(xué)分析，可以得出以下結(jié)論：

1） 電爆管特性對(duì)電爆閥的工作性能影響較大，爆壓值越大對(duì)應(yīng)的活塞撞擊變形量也增大；

2） 活塞與殼體的材料性能不是影響電爆閥工作可靠性的主導(dǎo)因素，在電爆管爆壓較低時(shí)，材料性能對(duì)活塞與殼體撞擊變形量影響稍大些，爆壓高時(shí)，材料性能對(duì)變形量影響不大；

3） 電爆閥出口壓力對(duì)活塞與殼體撞擊變形量影響最大，出口壓力越高，則活塞變形量越小，對(duì)其楔緊越不利，電爆閥可靠性隨之降低。

[1]SHMUEL Ben-Shmuel,GOLDSTEIN Selma,Pyrovalve simulation and evaluation,AIAA97-3103[R].USA:AIAA,1997.

[2]吳成,于國(guó)輝.電爆活門活塞體驅(qū)動(dòng)過程的研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2005,25(2):151－153.

[3]夏曉宇,黃敏超.聚能火工裝置工作過程數(shù)值模擬[J].火箭推進(jìn),2010,36(1):50－53.

[4]曾攀.有限元分析及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[5]石亦平,周玉容.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.