王 訊,關(guān)世璽,張孟軻

(中北大學(xué)航空宇航學(xué)院,山西 太原 030051)

武器裝備中有各種用于連接結(jié)構(gòu)分離如彈頭與載體末級分離、火箭級間分離等的解鎖裝置[1],目前這類解鎖機(jī)構(gòu)多為火工裝置,雖然技術(shù)比較成熟,但可靠性低、穩(wěn)定性差,造成的污染讓精密儀器產(chǎn)生很大的誤差[2]。非火工裝置的優(yōu)勢是低沖擊、無污染[3],目前主要以形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)驅(qū)動的解鎖裝置居多。美國國家航空航天局曾開發(fā)了一種由SMA管驅(qū)動的解鎖裝置[4],但該裝置所需驅(qū)動力大、解鎖時(shí)間長且同步性較差;Huang等[5]設(shè)計(jì)了一款SMA絲解鎖裝置,雖然SMA絲的觸發(fā)時(shí)間短,但提供的驅(qū)動力小[6]。本文設(shè)計(jì)了一種SMA絲驅(qū)動的兩級直推式分瓣螺母解鎖裝置,兩級解鎖可以大大減小SMA絲所需的驅(qū)動力。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SMA絲解鎖裝置如圖1所示,為最大尺寸不超過φ54 mm×70 mm的圓柱體。裝置主要由承載機(jī)構(gòu)、解鎖機(jī)構(gòu)和殼體組成,其狀態(tài)包括鎖緊和分離。鎖緊時(shí),螺栓20和分瓣螺母19配合,將被連接件1與上端蓋2壓緊,分瓣螺母在徑向使用一級鋼球18與支撐環(huán)4進(jìn)行約束,驅(qū)動彈簧3產(chǎn)生的推力一部分與一級鋼球18作用在支撐環(huán)4上的靜摩擦力平衡,另一部分與二級止動球8作用在支撐環(huán)上的力平衡,觸發(fā)塊13與二級止動球8被壓緊,記憶合金絲11處于未通電狀態(tài)。解鎖時(shí),形狀記憶合金絲11通電產(chǎn)生回復(fù)力,拉動觸發(fā)塊13向下移動直到二級止動球落入觸發(fā)塊的凹槽,這時(shí)支撐環(huán)的平衡被打破,驅(qū)動彈簧產(chǎn)生豎直向下的推力推動支撐環(huán)向下運(yùn)動,直到一級鋼球落入支撐環(huán)球窩,此時(shí)螺栓和分瓣螺母之間的預(yù)緊力解除,由渦卷彈簧14產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩,在轉(zhuǎn)動盤6和直動盤16的凹槽導(dǎo)向下作用到支撐手上產(chǎn)生徑向推力,推動分瓣螺母19徑向移動,完成分離。

1—被連接件;2—上端蓋;3—驅(qū)動彈簧;4—支撐環(huán);5—撐開器殼

2 驅(qū)動單元設(shè)計(jì)

SMA解鎖裝置的驅(qū)動單元主要由驅(qū)動彈簧、渦卷彈簧、安全彈簧和SMA絲組成。對整個(gè)裝置分析可知,驅(qū)動單元是整個(gè)解鎖裝置的關(guān)鍵,因此需對驅(qū)動單元進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

2.1 Brinson本構(gòu)關(guān)系

SMA具有非線性以及參數(shù)的多變性,用簡單的數(shù)學(xué)公式很難準(zhǔn)確地表述其力學(xué)行為。目前工程上常用的描述SMA特性的模型有Tanaka模型、Liang-Rogers及Brinson模型[7],它們都采用馬氏體體積百分?jǐn)?shù)ξ來描述SMA的相變過程。其中Brinson模型用應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξS與用溫度誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξT的和代替ξ[7],這更加符合真實(shí)工況,用于工程計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性。本文選用SMA在受控回復(fù)邊界條件下的Brinson本構(gòu)模型進(jìn)行驅(qū)動器設(shè)計(jì),圖2所示為驅(qū)動器簡化模型。

圖2 驅(qū)動器模型簡圖

模型方程如下:

σ-σ0=Ω′(ξS-ξS0)+Θ′(T-T0)

(1)

其中:

(2)

式中:σ為應(yīng)力,σ0為σ的初始值,ξS0為ξS的初始值,T為合金絲溫度,T0為T的初始值,S為記憶合金絲的橫截面積,D為彈性模量,L為合金絲的長度,k為彈簧剛度,Θ為熱彈性系數(shù),Ω為相變系數(shù)。

SMA在加熱過程中應(yīng)力與溫度的關(guān)系如下:

(3)

2.2 SMA絲材料本構(gòu)參數(shù)標(biāo)定

在進(jìn)行本構(gòu)方程擬合時(shí),需要SMA絲材料參數(shù)。對本文裝置所用的SMA絲進(jìn)行DSC(差式掃描量熱儀)測試以及室溫和高溫下的拉伸試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示,以獲取其相變溫度和馬氏體與奧氏體相下的彈性模量。

何為翻譯比喻？顧名思義，翻譯比喻就是指把翻譯活動或翻譯活動中的主體——譯者——比作其他事物。嚴(yán)格來說，翻譯比喻只是一種感性的思考，比喻的創(chuàng)造者或使用者們借助于一些與翻譯活動有著相似外形或者共同實(shí)質(zhì)的事物來描述翻譯，以突出翻譯的特點(diǎn)。針對翻譯比喻這一寬泛的概念，本文將探討的范圍局限在有關(guān)于譯者的比喻，即專指譯者或與譯者有關(guān)的比喻，并非所有的翻譯比喻。

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器

DSC實(shí)驗(yàn)儀器型號為梅特勒托利多DSCI,其升溫速率為5 ℃/min,實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖4所示。拉伸試驗(yàn)機(jī)型號為UTM4204-GD,室溫和100 ℃下的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 樣品DSC測試結(jié)果

圖5 室溫和高溫拉伸試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所得SMA絲的部分參數(shù)見表1,表中Ms、Mf和As、Af分別為馬氏體相變與奧氏體相變開始相變溫度和結(jié)束相變溫度,EA和EM為奧氏體和馬氏體相時(shí)的彈性模量。

表1 SMA本構(gòu)材料參數(shù)

2.3 驅(qū)動單元部件設(shè)計(jì)

為確定驅(qū)動器中驅(qū)動彈簧驅(qū)動力的大小,需要對分瓣螺母進(jìn)行受力分析,如圖6所示。

圖6 分瓣螺母受力分析圖

軸向力平衡方程:

N1+F1+Ff0·cosθ=N3

(4)

徑向力平衡方程:

Ff0·sinθ+Ff1+N4+Ff3=F0+N2

(5)

其中:

F0=F1cotθ

(6)

Ff0=υ0N0

(7)

Ff1=υ1N1

(8)

Ff3=υ3N3

(9)

綜合以上公式化簡得到:

N4=F1(cotθ+tanθ)+N2

(10)

將軸向預(yù)緊力為5 kN、θ為60°代入式(4),得到鋼球與分瓣螺母間的正壓力為231 N,將該值的1.5倍作為驅(qū)動彈簧的初始設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

根據(jù)裝置安裝條件,確定驅(qū)動彈簧中徑D為36 mm,鋼絲直徑d為4 mm,材料為60Si2Mn,剪切模量G=8 000 MPa,取有效圈數(shù)為n=3,兩端磨平。彈簧主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算如下:

c=D/d

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:c為繞旋;K為剛度系數(shù);Fmax為最大工作載荷;τmax為最大剪切應(yīng)力,為640 MPa;H0為自由高度;N為總?cè)?shù)。由此,驅(qū)動彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)見表2,表中H為彈簧初始安轉(zhuǎn)高度。

表2 驅(qū)動彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)

同理,得到安全彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3,彈簧材料為60Si2Mn。

表3 安全彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 分瓣螺母徑向撐開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了說明渦卷彈簧分離裝置的優(yōu)勢,對傳統(tǒng)的分離彈簧斜面徑向撐開方式與本文的渦卷彈簧徑向撐開方式進(jìn)行比較。分離彈簧斜面徑向撐開方式的斜面如圖7所示。

圖7 斜面示意圖

根據(jù)高濱等[8]的研究,為了避免施加軸向推力時(shí)分瓣螺母和斜面發(fā)生自鎖,其上、下端的接觸角度必須滿足:

(15)

式中:α和β為斜面與水平面的夾角,μ為摩擦系數(shù)。

對分離彈簧斜面徑向撐開方式分析得知,當(dāng)μ取0.2時(shí),(α+β)必須大于22.6°。取α=β=11.3°,連接分離裝置的分瓣螺母壁厚為2 mm,即z×cosα=2,其中z為斜面長度,分瓣螺母的徑向位移為2 mm;徑向所需推力為10 N,需要施加10.2 N的力;斜面位移為2.04 mm,總接觸面積為109 mm2。在不考慮自身重力的情況下,斜面式分離方式彈簧推力在斜面上的分力會壓緊斜面,從而產(chǎn)生大小為0.4 N的摩擦力,導(dǎo)致摩擦熱的產(chǎn)生。該撐開方式因分離彈簧的存在,所需的軸向安裝空間較大。因此,基于應(yīng)用空間考慮,本文選擇渦卷彈簧徑向撐開方式。

對渦卷彈簧徑向撐開方式進(jìn)行分析,首先對平面渦卷彈簧進(jìn)行受力分析,得到如下平衡方程:

F·l+ε=M·θ

(16)

式中:F為撐開手推力;l為推動距離,即分瓣螺母的徑向移動量,取值為1.66 mm;γ為軸轉(zhuǎn)過的角度,取γ=π;ε為撐開手與盤之間的摩擦熱,由于本文設(shè)計(jì)的解鎖裝置解鎖時(shí)間很短,因此可忽略摩擦熱的影響。渦卷彈簧依據(jù)GB/T 7336—1994標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表4,彈簧材料為60Si2Mn。

表4 渦卷彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)

3 分瓣螺母承載能力校核及裝置預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

3.1 分瓣螺母連接強(qiáng)度校核

分瓣螺母是解鎖裝置的主要承載部位,受預(yù)緊力和外部載荷作用,因此要對其進(jìn)行強(qiáng)度校核,螺栓、分瓣螺母材料為雙線性鋼材,材料參數(shù)見表5。

表5 螺栓螺母材料參數(shù)

目前,很少對精細(xì)螺紋強(qiáng)度進(jìn)行校核,因?yàn)閷β菁y進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元計(jì)算都比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。ANSYS軟件中提供了螺栓預(yù)緊力,利用簡化模型就能計(jì)算螺桿螺母真實(shí)的受力情況,本文在給定的預(yù)緊力下對螺紋連接強(qiáng)度進(jìn)行校核,結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 螺栓連接面應(yīng)力分布

圖9 螺母連接面應(yīng)力分布

圖10 螺栓連接整體應(yīng)力分布

由仿真結(jié)果可知,螺栓圓柱面最大應(yīng)力為330.87 MPa,螺紋圓柱面最大應(yīng)力為352.62 MPa,均小于材料的屈服強(qiáng)度450 MPa,構(gòu)件只發(fā)生彈性變形。而螺栓和螺母整體的應(yīng)力為485.41 MPa,稍大于材料的屈服應(yīng)力,但值得注意的是,應(yīng)力最大的地方均在螺母的圓周,一般工程上都會對螺母進(jìn)行倒角處理,因此可以減小此處的應(yīng)力。綜上所述,螺栓和螺母的強(qiáng)度滿足連接要求.

3.2 裝置預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

為避免裝置在工作時(shí)由于外界振動導(dǎo)致誤解鎖,需在預(yù)緊力條件下對其進(jìn)行模態(tài)分析,即預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析[9]。將5 kN軸向預(yù)緊力施加在螺栓上,模態(tài)分析結(jié)果如圖11、12所示。

圖11 各階振型云圖

圖12 各階自振頻率

1階振型對應(yīng)x方向的左右擺動,2階振型對應(yīng)y方向的前后擺動,3階振型對應(yīng)繞z軸的扭轉(zhuǎn),4階振型對應(yīng)繞y軸的扭轉(zhuǎn),5階振型對應(yīng)繞x軸的扭轉(zhuǎn),6階振型對應(yīng)z方向的上下竄動。通過對裝置工作原理分析可知,出現(xiàn)誤解鎖最大的可能為裝置z方向發(fā)生滑移。裝置的6階振型剛好對應(yīng)z方向的上下竄動,但6階振型的自振頻率為10 343 Hz,而正弦振動的頻率一般不會超過100 Hz,隨機(jī)振動的頻率也不會超過2 000 Hz[10],由此可見,該裝置不存在由隨機(jī)振動引起的誤解鎖風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

本文對SMA絲驅(qū)動的直推式分瓣螺母解鎖裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,得到了連接解鎖機(jī)構(gòu)驅(qū)動器的數(shù)學(xué)模型,并通過受力分析對系統(tǒng)各部件進(jìn)行了計(jì)算,得到了具體設(shè)計(jì)參數(shù)。利用DSC實(shí)驗(yàn)和室溫及100 ℃下的拉伸試驗(yàn),對驅(qū)動器所用的記憶合金絲的本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。在ANSYS中對分瓣螺母進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核以及預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,結(jié)果表明裝置在工作條件下不會發(fā)生塑性變形,在隨機(jī)載荷振動下也不會發(fā)生誤解鎖。