陳珂， 孔永芳， 符曉剛， 王一波

(1.中國航天科技集團(tuán)公司 紅外探測技術(shù)研發(fā)中心， 上海 201109；2.上海航天控制技術(shù)研究所， 上海 201109)

0 引言

對現(xiàn)代近程制導(dǎo)武器而言，導(dǎo)引頭成像模塊正常工作溫度往往低于-100 ℃，同時(shí)芯片及電子艙等發(fā)熱器件溫度上升過快，導(dǎo)致絕大多數(shù)近程制導(dǎo)武器型號均配備彈上制冷氣瓶。自導(dǎo)彈發(fā)射直至擊中目標(biāo)的這段時(shí)間，制冷氣瓶向成像模塊等需要降溫的部位輸入高壓氮?dú)猓苑€(wěn)定各個(gè)模塊的工作溫度。林樂剛等對彈上氣路單向閥失效問題進(jìn)行了研究，該單向閥由閥體、閥蓋和膜片組成，均使用金屬材料。陳青山設(shè)計(jì)了一套近程防空導(dǎo)彈的制冷氣路，其中氣瓶、氣管及各連接件均采用金屬材料。閆大同設(shè)計(jì)了一款掃地汽車用氣路系統(tǒng)，其氣瓶引出氣路和吹氣口之間的連接件均使用金屬材料。傳統(tǒng)彈上氣瓶為鋼制，有多個(gè)輸出口，每個(gè)輸出口對應(yīng)不同發(fā)熱模塊，發(fā)熱模塊和氣瓶間通過金屬氣管相連。純金屬制冷氣路會(huì)帶來隱患：彈上各個(gè)模塊理應(yīng)相互絕緣，但在彈體經(jīng)歷強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，鋼制氣瓶和鋼制氣管可能會(huì)相互導(dǎo)通，大大降低彈上精密電子器件的可靠性。隨著可靠性技術(shù)不斷發(fā)展及相關(guān)防靜電國家軍用標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，彈上制冷氣瓶設(shè)計(jì)要求已不再是強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、能夠制冷這么簡單，須在此基礎(chǔ)上消除純鋼制氣路帶來的安全隱患。

1 氣路接頭三維模型的建立

低空近程導(dǎo)彈從發(fā)射到擊中目標(biāo)時(shí)間不會(huì)超過1 min，導(dǎo)彈未發(fā)射時(shí)由地面供氣設(shè)備進(jìn)行制冷，制冷氣瓶僅當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射后開始工作。由此可確定絕緣氣路接頭的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1)通入25 MPa高壓氮?dú)夂竽軌虮３? min不漏氣；2)氣路接頭兩端相互絕緣。

為解決傳統(tǒng)彈上制冷氣瓶電絕緣性不好的問題，設(shè)計(jì)一款絕緣氣路接頭，置于彈載氣瓶和各個(gè)發(fā)熱模塊之間，實(shí)現(xiàn)各個(gè)發(fā)熱模塊間的絕緣化，如圖1所示。圖1中，氣管1、氣管2以及外殼為鋼制，絕緣套1、絕緣套2為聚四氟乙烯制。通過絕緣套1、絕緣套2使氣路接頭兩端氣管相互絕緣；通過固定氣管2并擰緊外殼，使各部件相互擠壓，從而實(shí)現(xiàn)氣路密閉。

圖1 絕緣氣路接頭三維模型Fig.1 Three-dimensional model of insulated gas circuit joint

傳統(tǒng)氣路接頭為304不銹鋼制，考慮到絕緣性、強(qiáng)度等因素，使用聚四氟乙烯作為絕緣材料，但同時(shí)絕緣氣路接頭帶來了強(qiáng)度方面的問題：1)絕緣氣路接頭能否承受極限25 MPa氣壓；2)即使能夠承受極限氣壓，不發(fā)生塑性變形，能否在極限工作氣壓下保持氣密性。針對上述兩個(gè)問題，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，常簡化模型以減少計(jì)算規(guī)模，提高收斂性。本文主要考察氣路接頭是否具有良好的氣密性，故將上下兩端氣管簡化。若基于三維模型并使用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格數(shù)過多，求解時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存溢出，最終運(yùn)算崩潰，故需要采用平面單元進(jìn)行氣密性分析。ANSYS軟件中存在3種平面單元分析方式，即平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、二維軸對稱。平面應(yīng)變和平面應(yīng)力單元適用于板、殼類結(jié)構(gòu)，不符合要求。2維軸對稱用于分析回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，即僅使用回轉(zhuǎn)體的回轉(zhuǎn)截面代替整個(gè)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，參與有限元計(jì)算，使用2維軸對稱法默認(rèn)在截面靠近回轉(zhuǎn)軸一側(cè)施加位移約束，且總單元數(shù)相比于三維單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格少得多，大大縮減計(jì)算規(guī)模。觀察三維模型可知絕緣氣路接頭除圖1(b)中外殼以外均為二維軸對稱回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，而外殼為非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，若使用二維軸對稱進(jìn)行分析，必須對外殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，本文采取的簡化思想為:采用回轉(zhuǎn)柱體結(jié)構(gòu)代替非回轉(zhuǎn)體外殼結(jié)構(gòu)，該回轉(zhuǎn)柱體取殼體的內(nèi)切圓柱(由原殼體結(jié)構(gòu)切分得到)。由于簡化后柱體結(jié)構(gòu)的外壁各個(gè)部位都減薄了，抵抗高壓氣變形的能力弱于圖2殼體結(jié)構(gòu)，如果簡化后結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度、氣密性要求，那么真實(shí)結(jié)構(gòu)一定能夠滿足。因產(chǎn)生接觸的結(jié)構(gòu)對分析結(jié)果影響較多，故接觸結(jié)構(gòu)不予改動(dòng)，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 簡化后模型Fig.2 Simplified model

生成結(jié)構(gòu)單元之前需要指定各部件的材料及其對應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)。絕緣套1、絕緣套2的材料為聚四氟乙烯，其余部件的材料均為結(jié)構(gòu)鋼。材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of materials

因10節(jié)點(diǎn)四邊形SOLID183單元含有中間節(jié)點(diǎn)，其形函數(shù)為高階(節(jié)點(diǎn)解更加精確)，故本文選用183單元?jiǎng)澐謱?shí)體網(wǎng)格。采用映射網(wǎng)格劃分形式，網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分效果Fig.3 Meshing

3 建立接觸

3.1 摩擦接觸的設(shè)置

圖4 摩擦接觸的設(shè)置Fig.4 Settings of frictional contact

二維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench后，設(shè)置如圖4所示的摩擦接觸。目標(biāo)面和接觸面的選取原則如表2所示。

表2 接觸單元設(shè)置原則Tab.2 Setting principles of contact units

圖4中共有5對摩擦接觸、2個(gè)滲透點(diǎn)，滲透點(diǎn)表示本結(jié)構(gòu)可能發(fā)生初始流體滲漏的位置，圖4中僅有2處位置可能發(fā)生初始流體滲漏。

3.2 螺紋接觸的設(shè)置

氣管2和外殼通過螺紋進(jìn)行連接，在3.1節(jié)中，氣管2和外殼間建立了摩擦接觸(接觸對5)。螺紋連接本質(zhì)上屬于摩擦接觸，需要將接觸對5在摩擦接觸的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換為螺紋連接。

在Workbench軟件中，平面單元間無法直接建立螺紋接觸，需要插入APDL命令來建立平面螺紋接觸。確定一個(gè)真實(shí)的螺紋連接需要的參數(shù)有螺距、中徑、螺牙角、螺紋長度4個(gè)參數(shù)，如圖5所示。圖5中，1點(diǎn)為螺紋頭部截面中心點(diǎn)位置，2點(diǎn)為螺紋尾部截面中心點(diǎn)位置。使用APDL語言定義螺紋連接需通過ANSYS軟件經(jīng)典環(huán)境中SECDATA命令，輸入的螺紋參數(shù)如表3所示。表3中(,,)、(,,)分別為圖5中1點(diǎn)和2點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖5 螺釘和螺孔Fig.5 Screw and screw hole

表3 螺紋參數(shù)

3.3 施加預(yù)緊力

ANSYS軟件中包含在螺釘上施加預(yù)緊力的GUI命令，即BOLT. 但BOLT命令在使用時(shí)有一定限制，即：施加BOLT預(yù)緊載荷的螺釘，其螺桿部位和螺帽部位必須為2個(gè)零件，并分別加以約束；若僅為一個(gè)零件，則會(huì)造成預(yù)緊載荷施加失敗，進(jìn)而造成計(jì)算的不收斂。本文無法通過BOLT命令施加179預(yù)緊單元來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，故采取了一種替代的方法。

在建立摩擦接觸和螺紋接觸后，各部件間是沒有擠壓力的。所以，如何使各部件產(chǎn)生擠壓力(預(yù)緊力)就成了關(guān)鍵問題。從裝配角度看，擰緊氣管2就是為了壓緊絕緣套2和氣管1，進(jìn)而壓緊其余各部件；而配合面之間的壓緊本質(zhì)上就是過盈配合。所以如何在各部件間產(chǎn)生擠壓力就變成了如何在施加接觸后，在絕緣套2和氣管1間產(chǎn)生過盈配合。一般而言，金屬與金屬材料過盈配合，其過盈量在10 μm左右。本文涉及到金屬材料與非金屬材料過盈配合，相關(guān)配合標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)較少。如果按照金屬材料配合來取過盈量，那么施加在接頭上的預(yù)緊力是很小的，必然漏氣。這里采用了工程上的經(jīng)驗(yàn)：因非金屬材料較軟，且裝配工人在擰緊氣路接頭的時(shí)候，其使用力大小不一，除非故意沒有擰緊，正常情況下配合面過盈量肯定大于100 μm，取40 μm已經(jīng)遠(yuǎn)小于實(shí)際情況，若在極限條件下不漏氣，則實(shí)際工況下必然不漏氣。直接在三維模型中引入40 μm的穿透量，如圖7所示，以實(shí)現(xiàn)絕緣套2和氣管1等部件的壓緊。

圖7 幾何穿透量引入Fig.7 Introduction of geometric penetration

通過引入幾何模型穿透的方式來產(chǎn)生過盈，若在過盈區(qū)域產(chǎn)生足夠的壓力來預(yù)緊各個(gè)部件，就必須將模型的最終穿透量降至最低，為此將接觸區(qū)域的穿透容差設(shè)置為1×10m.

4 施加邊界條件與求解

對外殼施加固定約束，以抑制各部件的剛體位移。同時(shí)，對絕緣氣路接頭中初始與高壓流體接觸的部位施加壓力滲透載荷。壓力滲透載荷是ANSYS軟件中專門用來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生流體滲漏的一種載荷，其原理如下：首先將氣路接頭進(jìn)行預(yù)緊，隨后將25 MPa總載荷根據(jù)子步數(shù)劃分后，按照子步數(shù)量形成載荷步，每一載荷步的載荷=(總載荷/子步數(shù))×載荷步序號，并按照線性規(guī)律逐步提高氣路接頭內(nèi)壁的流體載荷；在逐步提高流體壓力的過程中判斷壓力滲透點(diǎn)處的接觸壓力和施加的流體壓力的大小，如果流體壓力大于接觸壓力，則發(fā)生滲透，接頭部件發(fā)生形變，直至接觸壓力大于流體壓力，該載荷步收斂；繼續(xù)增加流體壓力大小，直至25 MPa完全收斂。其過程可簡化為：流體壓力大于接觸壓力→發(fā)生滲透→接頭變形→接觸壓力大于流體壓力→收斂→提高流體壓力，重復(fù)此過程直至流體壓力達(dá)到25 MPa.

SFE命令的第3位為1時(shí)表示施加壓力流體；SFE命令的第3位為2時(shí)表示設(shè)置流體泄露的起始點(diǎn)(圖4中所示)。

將整個(gè)過程分為兩個(gè)載荷步驟：1)接觸對2由幾何穿透轉(zhuǎn)換為過盈配合，使各個(gè)部件被壓緊；2)激活圖8中的命令流，設(shè)置滲透起始點(diǎn)和高壓流體。

圖9 流體壓力滲透載荷Fig.9 Fluid pressure penetration load

完成上述步驟后，進(jìn)行求解，求解完成后的結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)中可以看出，25 MPa高壓流體僅分布于絕緣套2的內(nèi)側(cè)，絕緣套2與氣管1、氣管2接觸部分的流體壓力均為0 MPa，表明流體未通過滲透點(diǎn)發(fā)生滲漏。由圖9(b)中可以看出，滲透點(diǎn)附近接觸壓力大于流體壓力25 MPa. 同時(shí)，從圖10中可以看到氣路接頭在承受25 MPa流體壓力時(shí)的等效應(yīng)力，最大值僅為12 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不銹鋼和聚四氟乙烯的屈服強(qiáng)度(345 MPa和23 MPa)。綜上可知滲透點(diǎn)處未發(fā)生流體滲漏。

圖10 氣路接頭等效應(yīng)力Fig.10 Equivalent stress on insulated gas circuit joint

從仿真結(jié)果中可以判定，該結(jié)構(gòu)在25 MPa的極限氣壓下不會(huì)發(fā)生塑性變形，并且不會(huì)發(fā)生氣體泄漏，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中氣密性要求。下面通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證絕緣氣路接頭的絕緣性與氣密性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖1所示的三維模型，加工出絕緣氣路接頭的各個(gè)部件，裝配成一體，如圖11所示。

圖11 絕緣氣路接頭Fig.11 Insulated gas circuit joint

針對絕緣氣路接頭實(shí)物，分別開展絕緣性實(shí)驗(yàn)和氣密性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下：

1)將絕緣氣路接頭的兩端接上鋼制氣管，一端氣管通過螺母擰緊確保密閉，另一端氣管接到快速啟動(dòng)測試設(shè)備(見圖12)的高壓氮?dú)廨敵隹谏希_認(rèn)連接無誤；

2)將快速啟動(dòng)測試設(shè)備的輸入氣壓調(diào)節(jié)至25 MPa左右，并打開輸出口開關(guān)，待絕緣氣路接頭的整路氣管中充滿25 MPa高壓氬氣后，將快速啟動(dòng)測試設(shè)備的高壓氣輸入口關(guān)閉，觀察輸出氣壓的變化。

圖12 氣密性實(shí)驗(yàn)Fig.12 Air tightness test

在關(guān)閉高壓氣輸入口的1 min內(nèi)，快速啟動(dòng)測試設(shè)備輸出氣壓表盤值未發(fā)生變化，保持當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)觀察30 min，快速啟動(dòng)測試設(shè)備輸出氣壓表仍未發(fā)生變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該氣路接頭具有良好的氣密性，滿足氣密性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

在25 MPa高壓氣狀態(tài)下測試絕緣氣路接頭兩端的絕緣性，如圖13所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在通入高壓氣體時(shí)，該絕緣氣路接頭兩端的電阻為∞. 另外，使用變壓器產(chǎn)生500 V電源，將絕緣氣路接頭與電子艙電路板串聯(lián)，再將電路板接入電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電子艙電路板能夠正常工作,表明絕緣氣路接頭具有良好的絕緣性，滿足絕緣性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖13 絕緣性實(shí)驗(yàn)Fig.13 Insulation test

6 結(jié)論

為解決彈上各個(gè)發(fā)熱模塊之間的絕緣性問題，本文設(shè)計(jì)了一種絕緣氣路接頭。對氣路接頭進(jìn)行氣密性仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其非金屬材料的強(qiáng)度及絕緣性滿足要求。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)在極限工作壓力下同時(shí)具有氣密性與絕緣性，滿足實(shí)際工程需求。