采用包帶式星箭鎖緊連接裝置的對接框剛度匹配性研究

王桂嬌，王 斌，劉觀日，張登宇，黃 蔚

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

包帶式星箭鎖緊連接是運載火箭和有效載荷常用的一種連接方式，其通過包帶式星箭鎖緊裝置（簡稱星箭鎖緊裝置）實現運載火箭和衛星等有效載荷對接框的鎖緊和解鎖功能。星箭鎖緊裝置主要由包帶、卡塊、拉簧和爆炸螺栓等組成，其結構如圖1所示。對接框由衛星框和火箭框兩部分組成（衛星框在下文簡稱上框，火箭框在下文簡稱下框）。鎖緊時，星箭鎖緊裝置通過爆炸螺栓提供預緊力，卡塊在預緊力作用下夾緊對接框，實現有效載荷與運載火箭的可靠連接，同時對接框作為儲能結構通過變形儲存一部分變形能；解鎖時，爆炸螺栓分離，預緊力釋放，對接框作為主要儲能結構將儲存的變形能釋放，為星箭鎖緊裝置分離提供初始動能。因此，對接框剛度直接決定了星箭鎖緊裝置分離動能的大小，合理匹配對接框剛度是提升星箭連接和解鎖可靠性的關鍵因素。

目前，國內外學者針對星箭鎖緊裝置的建模方法[1,2]、極限承載能力和軸向連接剛度等開展了一系列研究[3]，并取得一定成果[4～9]，但是關于對接框剛度匹配性的研究文獻較少，對星箭鎖緊裝置的力學行為還缺乏足夠的認識[10～14]，在以往的地面試驗中就曾發生過因對接框剛度差異過大導致的分離故障。

圖1 星箭鎖緊裝置結構示意Fig.1 Clamp Band Systems Configuration

為提高星箭連接和分離的可靠性，本文采用有限元分析和試驗驗證相結合的方法，重點研究了對接框剛度匹配特性的影響規律，以及解鎖過程中對分離裕度的影響，并對星箭對接框提出合理的剛度匹配性要求。

1 對接框變形能參數影響分析

變形能是結構整體剛度及受力狀態的宏觀表征，僅與結構宏觀布局、尺寸、材料性能、外載荷的大小及方向有關。故本文將變形能作為評估對接框剛度匹配特性的重要指標之一。

根據能量守恒定律，結構在發生彈性變形時外力做的功會轉變為結構內部的變形能，包帶施加預緊力后，對接框儲存的變形能為

式中εv為變形能密度；V為對接框的體積；W外為外力做的功。

文獻[9]將包帶組件假設為剛體，并假設外力功全轉化為對接框的變形能，用單自由度“彈簧-質量”模型，給出了施加預緊力后，對接框儲存的變形能及徑向初始變形公式：

式中 E為彈性模量；R為對接框等效半徑；T為包帶施加的預緊力；A為對接框橫截面等效面積；r為施加預緊力后對接框的徑向變形量。

通過式（2）可以看出對接框的變形能與對接框徑向變形量的平方成正比；由式（3）可知對接框的徑向變形量與包帶預緊力、對接框等效半徑成正比，與對接框橫截面積成反比，即預緊力不變的情況下，對接框的徑向變形量越大，結構儲存的變形能越大。

式（1）～（3）將包帶組件假設為剛體，無法反映包帶組件發生彈性變形后載荷的重新分配和對結構變形情況的影響。下文將通過有限元仿真，建立包帶組件和對接框的真實彈塑性模型，通過有限元分析和試驗驗證相結合的方法研究對接框剛度匹配特性的影響規律。

2 有限元仿真

2.1 有限元建模

本文采用有限元軟件ABAQUS進行有限元仿真。為提高計算效率，進行適當簡化建模，其中非線性拉簧采用Connector單元建模，并定義非線性剛度，通過施加Connector force的方式施加彈簧預緊力。建模時未考慮衛星質量的影響，有限元模型示意如圖2所示，模型包括星箭對接框、包帶、卡塊、柱軸、爆炸螺栓、墊片和卡塊連接件等。模型中所有零部件均采用六面體非協調單元建模，為提高計算精度，對卡塊與對接框的接觸部分建立了局部精細化模型，如圖3所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Clamp Band Systems

圖3 局部精細化模型Fig.3 Local Refined Model

為研究不同剛度匹配對接框在鎖緊過程中對其徑向變形、徑向錯動量（上、下框徑向變形量差值）、變形能的影響規律，本文建立了兩種對比模型：剛度匹配的標準機械接口模型（下文簡稱無梁）、對接框上框局部剛度突變模型（下文簡稱有梁），模型示意如圖4所示。

圖4 不同剛度匹配模型Fig.4 Different Stiffness Matching Model

2.2 載荷位移邊界條件

對接框剛度匹配性對其徑向變形、徑向錯動量及變形能的影響主要發生在星箭鎖緊階段，所以進行對接框剛度匹配對其變形的影響規律分析時，僅對包帶的預緊過程進行分析，采用在爆炸螺栓截面處進行準靜態加載螺栓力的方式模擬包帶預緊力的施加過程。

研究對接框剛度匹配特性對星箭分離裕度的影響時，采用“準靜態+顯式非線性動力學”相結合的方法分別模擬包帶的預緊力施加和釋放過程。

位移邊界條件為固支運載火箭有效載荷支架的下端框。

星箭鎖緊裝置屬機構類連接結構工作時，通過各組件間接觸和摩擦傳遞載荷。為真實模擬各組件間傳力及變形，本文考慮了對接框與星箭鎖緊裝置各組件的材料非線性和接觸非線性，包括卡塊與對接框之間、包帶與卡塊之間、包帶與卡塊連接件之間、對接框對接面之間的接觸和摩擦，接觸對定義如圖5所示。

圖5 接觸對定義Fig.5 Definition of Contact

2.3 有限元分析結果

圖6 為包帶預緊力下，上、下對接框徑向變形量的極坐標曲線，從圖6中可看出，有梁模型上、下框在梁支撐位置處徑向變形量同時減小。

圖6 徑向變形量Fig.6 Radial Displacement Curve

圖7 為上、下對接框徑向錯動量的極坐標曲線，圖中直線為梁的位置，相比無梁模型，有梁模型上、下框在梁支撐處的徑向錯動量增大。

圖7 徑向錯動量Fig.7 Relative Displacement Curve

圖8 為兩種模型的對接框變形能對比曲線，上框局部剛度突變后，對接面的整體剛度變大，在預緊力施加過程中對接框儲存的變形能偏低，有梁模型上框儲存的總變形能比無梁模型低6.3%，有梁模型下框儲存的總變形能比無梁模型低2.5%。

圖8 變形能對比曲線Fig.8 Contrast Curve of Stain Energy

從上、下對接框單位角度變形能分布規律看（見圖9、圖10），靠近柱軸位置對接框單位角度變形能最大，隨著與柱軸距離的不斷增大，單位角度變形能逐步減小。上框發生局部剛度突變后，梁附近對接框單位角度變形能降幅最大，對接框上框在該處的單位角度變形能下降量尤為明顯，在梁附近降低幅度最大達16%，下框在該位置降低幅度達7%。

圖9 上框單位角度變形能分布Fig.9 Contrast Curve of Stain Energy

圖10 下框單位角度變形能分布Fig.10 Contrast Curve of Stain Energy

解鎖過程中，對接框輸出的總動能及摩擦耗散對比如圖11所示，有梁模型的總動能較無梁模型低40%，摩擦耗散能較無梁模型高20%。圖12為兩種模型的卡塊分離速度對比曲線，有梁模型卡塊分離速度較無梁模型小近30%。

圖11 能量對比曲線Fig.11 Contrast Curve of Energy

圖12 卡塊分離速度對比曲線Fig.12 Contrast Curve of Separation Speed

從圖11、圖12可以看出：對接框剛度差異過大，會導致星箭鎖緊裝置鎖緊時，對接框徑向錯動量增大，同時儲存的變形能降低；在解鎖時，系統的摩擦耗散能增加，輸出的總動能減少，最終導致分離裕度降低。

3 試驗驗證

對接框的匹配特性如圖13所示，為驗證對接框的剛度匹配特性，本文以某型星箭接口為基礎，設計了如圖 13a所示的靜力試驗，在對接框上框內增加支撐梁結構，在包帶兩端同步施加包帶預緊力。試驗過程中對上、下對接框的徑向位移進行實時監測，監測點位置分布如圖13b所示，上框測點為1、3、5、7，下框測點為2、4、6、8。

圖13 測點分布Fig.13 Distribution of Measuring Point

試驗測得對接框的徑向位移曲線如圖 14所示，“+”表示框向內收縮，“-”表示框向外膨脹。4處測點位置的上、下框徑向錯動量如圖15所示。

圖14 徑向位移曲線Fig.14 Radial Displacement Curve

圖15 徑向錯動量Fig.15 Relative Displacement

由圖14、圖15看出，無梁位置的徑向變形要大于有梁位置；梁附近（位置2和位置4）上、下框徑向相對變形明顯大于遠離梁處（位置1和位置3）。與有限元分析得到的結論一致，即對接框剛度突變會導致對接框徑向變形量減小，徑向錯動量增加，從而降低對接框儲存的變形能并增加摩擦耗散，進而影響分離欲度。

對比仿真分析數據和試驗數據，試驗數據的對稱性雖稍差，但能反映出對接框剛度匹配特性的影響規律。

分析仿真分析數據和試驗數據差異的主要原因是由于有限元分析模型為理論模型，各部件均為理想尺寸，載荷加載速度和加載的同步性可控；而試驗時結構的尺寸偏差、安裝偏差和加載、測量等因素均會對試驗數據造成一定的影響。

4 結 論

通過有限元仿真和試驗驗證，可得以下結論：

a）對接框的剛度匹配特性是影響星箭鎖緊裝置各組件受力及變形模式的關鍵因素，變形能只與結構的剛度及受力狀態有關，因此，采用變形能評估對接框的剛度匹配特性合理；

b）對接框儲存的變形能與其徑向變形量有關，對接框局部剛度突變會影響其鎖緊過程中的徑向變形和相對錯動量，進而增加解鎖過程中的摩擦耗散，降低分離裕度；

c）目前主要運載火箭的用戶手冊中，均規定了不同接口下對接框的剛度及形狀要求，因此，為實現星箭連接和解鎖的可靠性，結構設計師在進行對接框設計時，可參考相關火箭用戶手冊中的剛度指標體系，并保證星箭對接區剛度均勻，避免出現剛度突變的情況；

d）經試驗驗證，本文所用的有限元分析方法和評價指標，可用于對對接框剛度匹配性進行提前預示，并指導火箭相鄰對接框的結構設計。