卞亞東 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

卞亞東 宋磊 劉軒秀 劉準(zhǔn) 王聰偉

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

本文對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。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現(xiàn)，本文主要針對爆炸螺栓連接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析說明。該火工品在分離時刻通過點(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，實現(xiàn)飛行器的級間或頭體分離。在分離結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為避免分離后爆炸螺栓頭（通常安裝在下面級部段）在沖擊載荷下對上面級造成碰撞、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)由一個捕獲器和兩個預(yù)緊螺栓組成，結(jié)構(gòu)形式如“幾”字形，通過2個預(yù)緊螺栓安裝固定在下面級艙段殼體（或安裝基座）上，通過結(jié)構(gòu)本身實現(xiàn)對分離多余物的捕獲，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，捕獲器捕獲分離后的爆炸螺栓頭，避免其對飛行器造成磕碰、損傷[3-4]。通過開展爆炸螺栓性能驗收試驗，測得分離沖量約30N·s，撞擊持續(xù)時間較短，約為1ms。

圖1 捕獲系統(tǒng)組成（半剖視圖）

本文針對爆炸螺栓起爆后的沖擊載荷對捕獲系統(tǒng)[5]性能的影響，開展了沖擊動力學(xué)分析研究工作，分析了沖擊-碰撞-變形-回彈全過程力學(xué)響應(yīng)，驗證了該捕獲系統(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)緊力計算

表1 不同擰緊力矩對應(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，對結(jié)構(gòu)施加沖擊載荷來計算捕獲器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，選取簡單的螺栓連接結(jié)構(gòu)驗算不同預(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，將螺栓簡化為圓柱，真實模擬螺栓連接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，將各個接觸面均設(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

針對沖擊、振動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2個M10預(yù)緊螺栓安裝在安裝基座上。通過材料手冊查得各材料性能參數(shù)見表2。

表2 模型的材料參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 計算工況

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

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)計算工況[7]，分析捕獲器結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，給出爆炸螺栓運(yùn)動位移最大時刻捕獲器及預(yù)緊螺栓的應(yīng)力和應(yīng)變云圖，見圖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。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)為對象，輸出該節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力隨時間變化曲線，見圖5。

圖3 最大應(yīng)力云圖

圖4 最大應(yīng)變云圖

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，其應(yīng)力變化是隨時間震蕩。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%，但隨著時長增加，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，但隨著時長增加，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

取捕獲器上受力面中心節(jié)點(diǎn)為對象，輸出捕獲器變形量曲線見圖6。

圖6 捕獲器變形量（受力面中心）

可知捕獲器達(dá)到位移最大時刻基本一致，為6.75e-4s。40N·m預(yù)緊捕獲器對應(yīng)變形為1.43mm，0N·m預(yù)緊捕獲器對應(yīng)變形為1.56mm，兩者相對變化率為9.1%。同時通過位移曲線對比，爆炸螺栓在4.5e-4s時刻開始撞擊捕獲器，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)變形量線性下降，但兩者的差值基本穩(wěn)定一致，約為0.1mm。

3 試驗

為了對比研究上文分析結(jié)果，針對圖1所示爆炸螺栓+捕獲系統(tǒng)進(jìn)行了驗證性試驗，試驗共3次，每次參試產(chǎn)品為4組。試驗過程中，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)合前期沖擊動力學(xué)仿真分析，其塑性變形趨勢、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。

[1] 黃含軍, 王軍評, 毛勇建, 等. 爆炸螺栓預(yù)緊力對沖擊響應(yīng)影響分析. 振動與沖擊, 2015, 34(16):166-169.[Huang Hanjun, Wang Junping, Mao Yongjian, et al. Influence of pretightening force of explosive bolts on impulse response[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(16): 166-169.]

[2] 張建華. 航天產(chǎn)品的爆炸沖擊環(huán)境技術(shù)綜述[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2005(3):30-36. [Zhang Jianhua. Pyroshock environment of missiles and launch vehicles[J]. Missiles and Space Vehicles, 2005(3): 30-36.]

[3] 史冬巖, 張亮, 張成, 等. 沖擊載荷作用下預(yù)緊力螺栓強(qiáng)度特性研究[J]. 船海工程, 2012, 41(2): 30-36.[Shi Dongyan, Zhang Liang, Zhang Cheng, et al. Research of strength character of the preloaded bolt under impact load[J].Ship & Ocean Engineering, 2012, 41(2): 30-36.]

[4] 李中偉, 鞠文君. 沖擊韌性對錨桿力學(xué)性能影響的試驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2014, 39(2):347-353. [Li Zhongwei, Ju Wenjun. Experiment research of impact toughness influence on the mechanical properties of rock bolt[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(2): 347-353.]

[5] 王月, 馮韶偉, 宋漪萍, 等. 航天火工分離裝置捕獲結(jié)構(gòu)性能仿真及優(yōu)化研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2016 (6): 64-69. [Wang Yue, Feng Shaowei, Song Yiping, et al. Simulation and optimization of capture structure for the aerospace pyrotechnic separation device[J]. Missiles and Space Vehicles, 2016(6): 64-69.]

[6] 莊茁, 由小川, 廖劍輝. 基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

[7] 陳新發(fā), 黃西成, 豆清波, 等. 工程分析中爆炸沖擊載荷的計算方法[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2020, 47(1): 26-32.[Chen Xinfa, Huang Xicheng, Dou Qingbo, et al. Calculation method of blast loadings in engineering analysis[J]. Structure & Environment Engineering, 2020, 47(1): 26-32.]

[8] 王旭, 曾耀祥, 范瑞祥, 等. 運(yùn)載火箭助推器關(guān)機(jī)沖擊載荷減緩方法研究. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2019, 46(2): 27-30.[Wang Xu, Zeng Yaoxiang, Fan Ruixiang, et al. Method of decreasing dynamic load of the rocket in shutting booster engine[J]. Structure & Environment Engineering, 2019, 46(2): 27-30.]

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

國防基礎(chǔ)科研項目（JCKY2016203B032）

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