爆炸螺栓預緊力對沖擊響應影響分析

第一作者黃含軍男，高級工程師，1973年11月生

爆炸螺栓預緊力對沖擊響應影響分析

黃含軍，王軍評，毛勇建，岳曉紅，呂劍

(中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽621900)

摘要：爆炸分離沖擊環(huán)境地面模擬試驗中一般通過懸掛試驗實現(xiàn)。試驗中連接兩分離部件的爆炸螺栓預緊力可能會對分離沖擊響應產生影響。爆炸螺栓預緊力由螺栓安裝擰緊力矩與分離下件重量產生，通過分析該力矩及該重量變化研究預緊力對響應影響。通過數(shù)值模擬、試驗研究，分別在時、頻域對響應影響進行分析。結果表明，爆炸螺栓安裝力矩及分離下件重量在一定范圍內的變化對中遠場沖擊響應影響較小。

關鍵詞：爆炸螺栓；預緊力；爆炸分離沖擊；沖擊響應

基金項目：國防技術基礎項目

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-08-09

中圖分類號:O839文獻標志碼：A

Influence of pretightening force of explosive bolts on impulse response

HUANGHan-jun，WANGJun-ping，MAOYong-jian，YUEXiao-hong，LüJian(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The pyroshock simulation test on the ground is usually achieved through a hanging test. In the test, two separation parts are connected by explosive bolts, and the pretightening force of explosive bolts may have influence on impulse response during a pyroshock event. The pretightening force determined by the tightening torque and the weight of the lower separation part were considered as two important influential factors in the investigation. A FE numerical simulation and a hanging test were carried out. Different tightening torques and separation part weights were considered. The experimental results were analyzed both in time and frequency domain. Both the simulation and experimental results indicate that the influence of thoses two factors is limited in the mid-field and far-field of the bolts explosion.

Key words:explosive bolt; pretightening force; pyroshock; impulse response

導彈、運載火箭級間或頭體由螺栓連接，分離時利用火工品爆炸驅動使螺栓解鎖，完成導彈的級間或頭體分離。火工品裝置在實現(xiàn)解鎖、分離動作時瞬間釋放出爆炸能量，導致安裝火工品裝置產生的應變能釋放及結構部件間碰撞。該能量瞬時作用于分離結構上，使其產生瞬態(tài)爆炸分離沖擊響應，形成爆炸分離沖擊環(huán)境[1-2]。爆炸分離沖擊作為復雜的振蕩型沖擊，主要特點為[3-4]：①持續(xù)時間短；②加速度幅值高，但速度、位移較小；③高頻率、寬頻帶。大量事實表明，爆炸分離沖擊環(huán)境對航天器及其電子系統(tǒng)具有較強的破壞效應，導致航天器硬件故障[5]。因此，對爆炸分離沖擊環(huán)境的地面試驗模擬成為研究重點。

圖1　爆炸分離沖擊試驗示意圖 Fig.1 Illustration of the experimental setup

對爆炸分離沖擊環(huán)境地面火工裝置模擬試驗，一般采用懸掛方式，見圖1。分離上、下件通過螺栓連接，螺栓解鎖后分離下件在重力作用下下落與分離上件分離。對地面利用火工裝置模擬試驗，GJB150.27-2009[6]及MIL-STD-810F[4]中有兩個相關試驗程序，即用真實配置模擬、用模擬或近似配置模擬。對全尺寸試驗而言，用全真配置試驗代價昂貴，且可能受某些限制無法進行，故一般采用部分真實部分近似配置試驗，可能造成連接分離上下件爆炸螺栓預緊力與實際情況有差異，而爆炸螺栓預緊力由螺栓安裝力矩與分離下件質量決定。因此，需分析其對爆炸分離沖擊環(huán)境影響，以便在試驗設計時是否需改變。

文獻[7]針對星箭分離中包帶預緊力、分離裝置裝藥量與沖擊響應關系進行試驗分析。本文針對級間或頭體中爆炸螺栓產生預緊力來源即安裝擰緊力矩、分離下件重量，通過數(shù)值模擬、試驗，分析其對爆炸分離沖擊響應影響，為爆炸分離沖擊試驗及構件設計提供參考。

1安裝擰緊力矩對爆炸分離沖擊響應影響數(shù)值分析

為分析螺栓安裝擰緊力矩對沖擊響應影響，便于數(shù)值建模、減小計算規(guī)模，考慮簡單結構為上下分離件由兩段圓錐殼組成，圓錐殼由爆炸螺栓連接，計算模型與文獻[8]一致,見圖2，上下分離件材料為鋁合金，由6個均布爆炸螺栓連接。螺栓、螺母、外套材料為合金鋼，剪切銷材料為紫銅，用ANSYS/ LS-DYNA建模，據(jù)對稱性取1/12有限元模型進行計算。為施加擰緊力矩產生的預緊力，在爆炸螺栓外套與錐殼下件接觸處施加軸向約束，在螺栓尾部緩慢施加拉力(以不產生明顯應力波效應為宜)，達預緊力峰值時突然釋放，模擬爆炸螺栓解鎖。施加拉力時域分布為三角形，在2 ms內從0線性增加至某值后突變?yōu)?。為考察不同安裝擰緊力矩影響，理想情況考慮對4種不同安裝擰緊力矩(20 N·m，40 N·m，80 N·m，120 N·m)狀態(tài)進行計算。數(shù)值計算中僅考慮擰緊力矩影響，不考慮炸藥爆炸、螺栓分離后撞擊及分離下件重力影響。

圖2　計算模型示意圖 [8] Fig.2 Detailed views of the computational model [8]

據(jù)計算結果獲得4種擰緊力矩下時域加速度峰值隨與爆炸螺栓距離增加而衰減的規(guī)律，見圖3。選取3特征點位于分離上件同一母線，距螺栓分別為2 cm、13 cm、61 cm，分析的峰值為軸向(X向)響應峰值。由圖3看出，隨距離增加，加速度峰值呈衰減趨勢，衰減趨勢由劇烈逐漸變?yōu)榫徍汀?個特征點隨預緊力變化規(guī)律分析見圖4。據(jù)文獻[9]，按沖擊環(huán)境強度及頻譜成份，爆炸分離沖擊環(huán)境分為近、中、遠場區(qū)域，對大多數(shù)點源，近場區(qū)域距沖擊源3 cm以內，中場區(qū)域距沖擊源3～15 cm，遠場區(qū)域距沖擊源15 cm以上。3特征點分別位于近、中及遠場區(qū)域。由3特征點結果可知，隨預緊力增加，加速度峰值呈線性增加；近、中、遠場遞增程度不一致，各有區(qū)別；隨距離增加，其遞增斜率降低，近場斜率最大，遠場最小，即近場響應對擰緊力矩更敏感。

圖3　加速度峰值隨距離衰減 Fig.3 The relation between the peak acceleration value and the distance to the explosive bolt

2擰緊力矩、分離下件重量變化對響應影響試驗研究

試驗件結構復雜，分離的上下件由爆炸螺栓相連(圖1)，點火爆炸螺栓的同時啟動采集系統(tǒng)進行測點數(shù)據(jù)采集。針對安裝擰緊力矩影響，試驗據(jù)實際情況考慮40 N·m及20 N·m兩種力矩；針對分離下件重量影響，考慮增加附加重量改變分離下件重量，即不附加重量即分離下件本身42 kg及附加56 kg配重，重量變化為1.3倍。試驗以某測點軸向(X向)、橫向(Y向)加速度響應及沖擊響應譜(SRS)進行對比，該測點距爆炸螺栓中心橫向距離約13 cm，按文獻[9]劃分，可認為位于爆炸分離沖擊環(huán)境中場區(qū)域。

兩種擰緊力矩加速度響應時域曲線與沖擊響應譜對比見圖5、圖6，圖中“_X”、“_Y”分別表示測點加速度軸向、橫向響應，下同。其中圖6的沖擊響應譜由圖5時域響應數(shù)據(jù)處理計算獲得。其中圖5(a)、圖6(a)為測點X向響應，圖5(b)、圖6(b)為測點Y向響應。盡管擰緊力矩相差一倍，且時域曲線顯示峰值有差異(X向相差9.2%，Y向相差29%)，但響應趨勢一致；頻域沖擊響應譜中二者峰值在X向相差1.3 dB，Y向相差4.7 dB。據(jù)GJB 150.27-2009允差規(guī)定，兩相差值均在允差范圍內，可認為二者影響一致。據(jù)數(shù)值模擬結果，在20～120 N·m范圍內，擰緊力矩與加速度響應峰值呈線性關系。結合本次試驗結果，可得擰緊力矩在1倍范圍內變化對爆炸分離沖擊中遠場響應影響較小的結論，與數(shù)值模擬結果一致。原因可能為產生爆炸分離沖擊載荷的三種機制中，火工品爆炸產生的載荷占主要因素[8]。

圖4 加速度峰值隨擰緊力矩變化Fig.4Therelationbetweenthepeakaccelerationvalueandtighteningtorque圖5 兩種擰緊力矩的加速度響應時域曲線比較Fig.5Accelerationresponsesintimedomainwhentwodifferenttighteningtoquesareapplied

圖6 兩種擰緊力矩沖擊響應譜比較Fig.6Accelerationresponsesinfrequencydomainwhentwodifferenttighteningtoquesareapplied圖7 有無配重狀態(tài)加速度響應時域曲線比較Fig.7Accelerationresponsesintimedomainwhentwodifferentweighsofthelowerseparationpartareapplied圖8 有無配重狀態(tài)沖擊響應譜比較Fig.8Accelerationresponsesinfrequencydomainwhentwodifferentweighsofthelowerseparationpartareapplied

無配重與有配重加速度響應時域曲線與沖擊響應譜對比見圖7、圖8。據(jù)有、無配重，分離下件重量差別約1倍。由兩圖看出，無論在時域或頻域兩種狀態(tài)基本一致，表明分離下件重量差別在1倍范圍內，影響較小。實際上，在時域X向峰值相差0.4%，Y向相差21.6%；在頻域X向峰值相差1.6 dB，Y向峰值相差0.99dB。

事實上，無論擰緊力矩或分離下件重量，均可歸于螺栓預緊力。擰緊力矩與螺栓預緊力關系為

Mt=0.2FD

(1)

式中：Mt為擰緊力矩；F為螺栓預緊力；D為螺栓直徑。

對分離下件重量相關的預緊力可換算成分離下件重量。本次試驗中通過計算，40 N·m力矩相當于對螺栓施加14 286 N拉力，而56 kg配重施加到螺栓的拉力為548.8 N，兩項比較，配重影響可忽略不計。與文獻[10]結論一致，即模擬重量大小無關緊要，能較好實現(xiàn)分離即可。

由以上分析知，分離下件質量較小時其在爆炸螺栓預緊力中的貢獻較小，因而螺栓擰緊力矩在預緊力中占優(yōu)，分離下件重量因素可忽略；分離下件質量較大、在螺栓上產生的拉力與擰緊力矩產生的拉力相當時，其綜合產生影響需進一步分析。

3結論

通過數(shù)值模擬、試驗及爆炸螺栓預緊力對爆炸分離沖擊響應影響即對爆炸螺栓擰緊力矩及分離下件重量變化對沖擊響應影響分析，結論如下：

(1)爆炸螺栓擰緊力矩大小與加速度響應峰值呈線性關系，擰緊力矩在1倍范圍內變化對爆炸分離沖擊中遠場響應影響較小，在實際工作范圍內，擰緊力矩變化遠小于1倍，影響可忽略不計。

(2)分離下件質量在1倍范圍內變化較螺栓預緊力而言為小量，可忽略爆炸分離沖擊環(huán)境中遠場影響。

(3)爆炸螺栓安裝力矩在1倍范圍內變化對中遠場沖擊響應影響較小，加載困難時可模糊施加；設計分離下件時可不考慮質量。

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