膨脹管分離裝置的分離沖擊特性*

馬治國,陳 榮,孫 璟,林玉亮,李 東,盧芳云

(1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院,長沙 410073; 2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

膨脹管分離裝置的分離沖擊特性*

馬治國1,陳 榮1,孫 璟2,林玉亮1,李 東2,盧芳云1

(1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院,長沙 410073; 2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

為了分析膨脹管分離裝置在解鎖過程中引起結(jié)構(gòu)振動的沖擊來源,文中運(yùn)用LS-DYNA對分離裝置的工作過程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明:沖擊主要來自于膨脹管對分離端框的碰撞以及分離板斷裂時應(yīng)力的釋放引起分離板振動;沖擊值在結(jié)構(gòu)界面衰減了50%,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于應(yīng)力波衰減效應(yīng)與結(jié)構(gòu)諧振效應(yīng)相耦合,沖擊值無明顯增減。進(jìn)一步分析得到兩種沖擊源對結(jié)構(gòu)的振動貢獻(xiàn)分別占55%和45%。

膨脹管分離裝置;LS-DYNA;振動

0 引言

分離系統(tǒng)是航天器的關(guān)鍵部件,火工分離裝置因其高可靠性大量應(yīng)用于航天器分離動作。火工分離裝置都是應(yīng)用火藥或炸藥燃燒而釋放的化學(xué)能來驅(qū)動[1]。火工分離裝置不可避免地會對航天器造成沖擊。依靠數(shù)值仿真計算來模擬航天器受沖擊過程是一個安全、快速、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

爆炸分離系統(tǒng)主要包括點式分離和線式分離方法[2]。其中對于點式分離裝置(如爆炸螺栓),王軍評[3]等分析了分離過程中三種不同的物理過程及其誘發(fā)響應(yīng)的機(jī)制,討論了不同階段不同區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),從定量角度研究了分離過程中三種機(jī)制對響應(yīng)的貢獻(xiàn)及其特征。對于線式分離裝置(如柔性導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆索膨脹管)的研究多集中在結(jié)構(gòu)的破壞分析[1]及防護(hù)裝置分析[4-5],而對于線式分離裝置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的研究較少。孫璟[6]利用ANSYS/LS-DYNA對膨脹管分離裝置進(jìn)行仿真分析,利用響應(yīng)面法優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計得到了分離板總厚度、削弱槽口半徑和分離厚度的最優(yōu)尺寸。

膨脹管分離裝置的爆炸分離過程在文獻(xiàn)[6]中已有介紹,但對于該類結(jié)構(gòu)的沖擊振動問題分析未見文獻(xiàn)報道。

為了分析評估膨脹管分離裝置工作時對臨近設(shè)備的沖擊載荷,文中對工作過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。從仿真結(jié)果中分離出造成沖擊的兩個沖擊源,考慮了沖擊現(xiàn)象的機(jī)理,通過進(jìn)一步設(shè)計仿真工況,定量研究了兩個沖擊源的沖擊占比。

1 計算模型

1.1 計算模型

為了定量研究膨脹管分離裝置沖擊載荷作用的機(jī)制,以真實結(jié)構(gòu)為對象,建立有限元模型,通過設(shè)計兩種特殊工況,進(jìn)而研究和分析兩種沖擊源作用機(jī)理及其引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。有限元模型由專用軟件HYPER-MESH建立,如圖1所示。

圖1 膨脹管分離裝置計算模型

文中采用LS-DYNA有限元結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算軟件中拉格朗日-歐拉耦合算法[7](CEL)計算分離裝置的分離過程,計算模型如圖2～圖3所示。

圖2 膨脹管分離模型(拉格朗日單元)

圖3 膨脹管分離模型(歐拉單元)

所有的結(jié)構(gòu)部件均劃分成拉格朗日單元,導(dǎo)爆索爆炸變形區(qū)域及填充物設(shè)置為歐拉網(wǎng)格區(qū),兩種網(wǎng)格單元的結(jié)合區(qū)域為混合拉格朗日-歐拉網(wǎng)格單元區(qū)。裝置中各部件之間采用基于罰函數(shù)法的對稱接觸算法[8](CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)。拉格朗日單元變形在達(dá)到設(shè)定的閾值條件后自動刪除,表明該處已達(dá)到破壞應(yīng)變。由于所考慮的結(jié)構(gòu)是具有分段循環(huán)的對稱結(jié)構(gòu),計算過程中取環(huán)向3.75°的結(jié)構(gòu)作為計算范圍。

1.2 計算參數(shù)設(shè)計

導(dǎo)爆索(RDX)使用Mat_High_Explosive_Burn模型,利用JWL狀態(tài)方程,參數(shù)如表1所示。

扁平管材料為鋼,使用Mat_Power_Law_Plasticity模型,具體數(shù)值見表2。

填充物為聚乙烯,使用Mat_Piecewise_Linear_Plasticity模型。其他結(jié)構(gòu)部件材料為鋁合金,使用Mat_Elastic_Plastic_Hypro_Spall模型[9],螺栓材料為鋼,使用Mat_Elastic材料模型,具體數(shù)值見表3。

表1 炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 扁平管材料參數(shù)

表3 其他材料參數(shù)

1.3 螺栓預(yù)緊力的確定

建模過程中螺栓和孔均參考實際結(jié)構(gòu)建立,其中螺栓部分不考慮螺紋結(jié)構(gòu),將其假設(shè)為圓柱體,螺栓與螺母建成一個部分并共節(jié)點。以連接分離板和端框的M5螺栓為例,螺栓直徑為5 mm,分離板和端框上的孔直徑為5.2 mm,初始時刻螺帽和分離板之間間隔0.02 mm,分離板和端框之間間隔也預(yù)留0.02 mm。設(shè)置分離板和端框之間、分離板和螺栓(含螺母)之間自動面面接觸。

預(yù)緊力矩T、預(yù)緊力F和螺栓截面直徑d之間的簡單估算關(guān)系[10]為:

T≈0.2Fd

M5的螺栓預(yù)緊力矩為6 N·m,M10的螺栓預(yù)緊力矩為30 N·m。由此計算得到M5螺栓中的拉力為6 kN,M10螺栓中的拉力為15 kN。進(jìn)一步計算可得M5螺栓中的拉伸應(yīng)力為306 MPa,M10螺栓中的拉伸應(yīng)力為191 MPa。

利用“降溫法”施加螺栓預(yù)緊力,監(jiān)測螺栓橫截面處特征單元達(dá)到對應(yīng)拉伸應(yīng)力后起爆。

2 沖擊源分析

首先對分離過程進(jìn)行分析,起爆后扁平管膨脹,以一定速度撞擊周圍結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 扁平管膨脹與撞擊過程

提取扁平管上沿特征點速度歷史,如圖5所示。從圖中可以看出扁平管撞擊的速度最高達(dá)到190 m/s,這個高速撞擊必然會向端框中傳入一個沖擊波,這是膨脹管分離的一個重要沖擊源。

圖5 扁平管上沿速度歷史

扁平管在內(nèi)部高壓爆轟產(chǎn)物的作用下開始膨脹,驅(qū)動分離板向左右運(yùn)動,在削弱槽處形成拉伸應(yīng)力集中,削弱槽被拉伸斷裂后應(yīng)力釋放,向分離板中傳入一個拉伸波[11],拉伸波通過分離板與上下端框的之間接觸以及分離板與上下端框之間的連接螺栓傳入上下端框。這是分離過程的第二個沖擊源。削弱槽處特征單元的應(yīng)力歷史如圖6所示。

圖6 分離框軸向應(yīng)力歷史

分析表明,沖擊主要來自于膨脹管在運(yùn)動過程中對分離端框的碰撞和分離板分離時預(yù)緊力釋放以及后續(xù)分離板的振動。

3 沖擊源沖擊特性分析

3.1 沖擊源分離模型

為了定量分析兩個沖擊源的沖擊占比,設(shè)計了兩種工況。

第一種工況(Condition A)僅考慮扁平管對上下端框的撞擊,不考慮分離板斷裂對結(jié)構(gòu)的沖擊,不再定義分離板與上下端框之間的接觸以及螺栓與上下端框的接觸;第二種工況(Condition B)僅考慮分離板斷裂對結(jié)構(gòu)的沖擊,不考慮扁平管對上下端框的撞擊,不再定義扁平管與上下端框之間的接觸,如圖7所示。

圖7 沖擊源分離模型

3.2 沖擊特性分析

根據(jù)與導(dǎo)爆索距離的不同分布4組測點,每組擁有12個測點,如圖8所示。

圖8 測點分布示意圖

對結(jié)構(gòu)中監(jiān)測點加速度歷史采用butterworth濾波器進(jìn)行15 kHz濾波后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的沖擊譜線分析,得到各測點的沖擊譜線。統(tǒng)計各測點的最大沖擊值并對與導(dǎo)爆索相同距離處的測點取算術(shù)平均值,其中y方向(軸向)加速度對比如圖9所示。

從時域、8 kHz頻域、4 kHz頻域平均最大值對比可知Γ1處沖擊值約為其他測點處沖擊值的2倍左右。這是由于在Γ1和Γ2之間存在一個界面,使得沖擊得到較大的減少。而在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)的Γ2～Γ4處的沖擊值隨傳播距離的增加并無明顯的衰減現(xiàn)象,導(dǎo)致該結(jié)果的主要原因是應(yīng)力波衰減效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的諧振效應(yīng)的耦合。由于結(jié)構(gòu)的諧振效應(yīng),距離邊界越近,偏離平衡位置越大,導(dǎo)致其加速度越大。

圖9 平均最大沖擊值對比

3.3 兩種沖擊源沖擊占比分析

對兩種工況下各方向的最大沖擊值依據(jù)下式進(jìn)行歸一化分析:

分別獲得兩種工況在各方向下的占比α,如圖10所示。

圖10 兩種工況下各方向的沖擊占比

從圖10中可以看出,扁平管對上下端框產(chǎn)生的沖擊占比較大,約為55%,分離板斷裂產(chǎn)生的沖擊占比較小,約為45%。

4 結(jié)論

文中以膨脹管分離裝置為研究對象,設(shè)計了兩種計算模型將沖擊源分離,運(yùn)用LS-DYNA對裝置的解鎖過程進(jìn)行仿真計算,得到如下結(jié)論:

1)膨脹管分離裝置的主要沖擊源是扁平管對上下端框的碰撞和分離板斷裂過程中的應(yīng)力釋放及分離板的振動,兩部分對分離過程的沖擊貢獻(xiàn)分別為55%和45%。

2)沖擊值在結(jié)構(gòu)界面處發(fā)生50%衰減,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于應(yīng)力波衰減效應(yīng)與結(jié)構(gòu)諧振效應(yīng)的耦合,沖擊無顯著增減現(xiàn)象。

[1] 張弘佳.線式爆炸分離過程的碎片速度分布及安全性研究 [D].長沙:國防科技大學(xué),2014.

[2] 劉竹生,王小軍,朱學(xué)昌.航天火工裝置 [M].北京:中國宇航出版社,2012:36-37.

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[7] 時黨勇,李裕春,張勝民,等.基于ANASYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動力學(xué)分析 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:184-199.

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[9] 王瑞鋒.線式火工分離裝置中保護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究 [D].長沙:國防科技大學(xué),2007.

[10] 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.螺紋緊固件緊固通則:GB/T 16823.2—1997 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[11] 王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ) [M].2版.北京:國防工業(yè)出版社,2005:12-18.

SeparationImpactCharacteristicsofExpansionTubeSeparationDevice

MA Zhiguo1,CHEN Rong1,SUN Jing2,LIN Yuliang1,LI Dong2,LU Fangyun1

(1 College of Science,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China; 2 Beijing Institute of Astronatical Systems Engineering,Beijing 100076,China)

In order to analyze shock source of expansion tube separation device in unlocking process due to structure vibration,the separation device was simulated in LS-DYNA.The results show that.The shock comes from the collision between expansion tube and separation frame and the vibration of separation board and the release of stress in the fracture process of separation board.The impact value attenuates by 50% at the structure interface.Due to coupling effect between stress wave attenuation and structure resonance,the impact value has no significant increase or decrease.Further analysis show that the two contributions to the structure vibration of the shock sources are respectively 55% and 45%.

expansion tube separation device; LS-DYNA; vibration

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.024

2016-06-21

馬治國(1989-),男,河北滄州人,碩士研究生,研究方向:材料動態(tài)力學(xué)性能。

V421.7

A