某型無人機(jī)的“鉗式”分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王曉東，姜其用，涂金崠

(南京模擬技術(shù)研究所,江蘇 南京 210016)

0 引言

對(duì)于導(dǎo)彈、火箭等有艙段解鎖、分離需求的航空航天飛行器而言，需要設(shè)計(jì)特別的火工分離機(jī)構(gòu)[1-2]。與此類似，為了防止無人機(jī)觸地之后被回收傘拖拽而損毀，同樣需要特殊的分離機(jī)構(gòu)完成機(jī)傘分離。由于無人機(jī)完全靠回收傘完成高速狀態(tài)下減速及回收過程，因此，分離機(jī)構(gòu)需要同時(shí)保證大沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)可靠性和觸地之后的分離可靠性。

目前，無人機(jī)回收傘上多數(shù)采用成熟的“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)[3]，該結(jié)構(gòu)裝配過程復(fù)雜、操作要求高，尤其是在相同承載條件下，由于鋼球與上接頭、下接頭均為點(diǎn)接觸形式，局部極易引起應(yīng)力集中，從而造成材料屈服破壞，故應(yīng)力集中區(qū)域的局部材料必須通過塑性變形來增大與鋼球的接觸面積，從而降低接觸應(yīng)力。此外，上接頭孔口材料發(fā)生塑性變形后會(huì)阻礙上下接頭的分離，甚至?xí)斐苫厥諅銦o法順利釋放。

為彌補(bǔ)鋼球式分離機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，本文基于棘爪式爆炸螺栓[4]分離原理設(shè)計(jì)了一種鉗式分離機(jī)構(gòu)，并采用ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力仿真計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)在10 g回收過載作用下的應(yīng)力水平及其安全系數(shù)。結(jié)果表明，鉗式分離機(jī)構(gòu)在靜載荷承載能力及裝配方式上均優(yōu)于經(jīng)典的鋼球式分離機(jī)構(gòu)，并在某型無人機(jī)上實(shí)施驗(yàn)證，為改型無人機(jī)提供了一種可靠的解鎖、分離機(jī)構(gòu)，對(duì)于其他型號(hào)的類似結(jié)構(gòu)提供了重要的參考和借鑒。

1 鉗式分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及工作原理

鉗式分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，由1爆炸螺栓、2墊圈、3下左接頭、4上接頭、5下右接頭、6螺母等組成。上下接頭預(yù)留孔處通過掛傘銷來連接回收傘主傘繩及連接無人機(jī)的傘繩。

圖1 鉗式分離接頭裝配前后模型示意圖

裝配時(shí)，下左接頭和下右接頭可以通過圓銷彼此連接，并且下左接頭和下右接頭可以繞圓銷旋轉(zhuǎn)開合；爆炸螺栓穿過下左接頭、上接頭和下右接頭的螺栓孔；墊圈處于爆炸螺栓的頭部一側(cè)；螺母與爆炸螺栓的另一側(cè)緊固；兩個(gè)下接頭可以鉗緊上接頭，并利用爆炸螺栓和螺母使上下接頭配合面緊密貼合。

如圖2所示，當(dāng)無人機(jī)開傘回收時(shí)，分離裝置的上下兩端被拉緊，分離裝置的配合面承受拉力，爆炸螺栓起到夾緊兩側(cè)下接頭及上接頭的作用。由于鋁彈性模量較小，因此通過鋁墊圈及鋁螺母協(xié)調(diào)接頭變形，減小爆炸螺栓上的載荷。

當(dāng)無人機(jī)落地接收到回收傘分離信號(hào)后，爆炸螺栓作動(dòng)，下左接頭和下右接頭繞圓銷孔旋轉(zhuǎn)，釋放上接頭，實(shí)現(xiàn)上下接頭分離。

2 “鉗式”分離機(jī)構(gòu)的有限元仿真分析

為了承受較大的載荷，鉗式分離機(jī)構(gòu)上下接頭主體采用高強(qiáng)度鋼材，但在直角轉(zhuǎn)折處剛度突變?nèi)菀仔纬蓱?yīng)力集中。另外由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，在承受拉伸載荷時(shí)，上下接頭部位往不同方向變形，爆炸螺栓頭以及鋁螺母協(xié)調(diào)兩側(cè)變形而引起較大應(yīng)力。為了確保引爆時(shí)可靠分離，爆炸螺栓材料為強(qiáng)度較低的鋼材，且結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一段縮頸，在該處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖3所示。因此，鉗式分離機(jī)構(gòu)整體承載能力受限于爆炸螺栓上縮頸位置的應(yīng)力以及主體剛度突變位置應(yīng)力。

根據(jù)某型亞音速無人機(jī)回收傘設(shè)計(jì)回收過載，設(shè)計(jì)回收重量，采用該設(shè)計(jì)極限載荷(本文設(shè)定為27.4 kN)對(duì)鉗式分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。各部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 “鉗式”分離機(jī)構(gòu)各部件材料參數(shù)

基于以上設(shè)定，采用ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力仿真計(jì)算，得出“鉗式”分離機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 “鉗式”分離機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖4可以看出，“鉗式”分離機(jī)構(gòu)在27.4 kN承載條件下，所有結(jié)構(gòu)部件均處在材料彈性范圍內(nèi)，假定爆炸螺栓預(yù)緊力為2.5 kN，計(jì)算得出鉗式分離機(jī)構(gòu)的各部件最大應(yīng)力及安全系數(shù)如表2所示。

表2 載荷27.4 kN時(shí)鉗式分離機(jī)構(gòu)各部件最大應(yīng)力及安全系數(shù)

3 “鋼球式”分離機(jī)構(gòu)的有限元仿真對(duì)比分析

某型亞音速無人機(jī)上在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前采用“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。裝配時(shí)將活塞放入上接頭，將鋼珠放在上接頭圓周孔上，然后整體塞入下接頭中，再將接頭倒置，通過慣性使活塞往下接頭一側(cè)滑動(dòng)，從而將鋼珠擠進(jìn)下接頭中，阻止上下接頭分離，再插入剪切銷防止活塞下移。需要工作時(shí)，分離信號(hào)引燃點(diǎn)火頭，推動(dòng)活塞，切斷剪切銷，在彈簧彈力以及回收傘拉力作用下鋼球收回上接頭內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)分離。

圖5 “鋼球式”分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成示意圖

作為對(duì)比，我們對(duì)該“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)在相同載荷條件(27.4 kN)下進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得出上、下接頭應(yīng)力云圖如圖6所示。結(jié)果表明：上、下接頭最大應(yīng)力分別為2137 MPa、2430 MPa，遠(yuǎn)超材料屈服極限。

圖6 “鋼球式”分離機(jī)構(gòu)上、下接頭應(yīng)力云圖

根據(jù)上述對(duì)“鉗式”分離機(jī)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果及同等承載條件下“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)的對(duì)比分析可以看出，“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)在27.4 kN載荷下已經(jīng)出現(xiàn)局部屈服破壞，重復(fù)使用可靠性無法保證；而“鉗式”分離機(jī)構(gòu)在27.4 kN載荷下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性，并有足夠的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。此外，鋼球式結(jié)構(gòu)輪廓尺寸為Φ58 mm×123.5 mm，結(jié)構(gòu)重量約789 g，而鉗式結(jié)構(gòu)輪廓尺寸為50 mm×35 mm×100 mm，重量約759 g。鉗式分離裝置無論從體積、重量、簡(jiǎn)單可靠、裝配速度、重復(fù)使用以及承載能力方面都優(yōu)于鋼球式分離機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的鉗式分離機(jī)構(gòu)，并通過有限元靜強(qiáng)度分析得出，在10 g回收過載狀態(tài)下，其各部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)都達(dá)到1.5以上。

與傳統(tǒng)的鋼球式分離機(jī)構(gòu)相比，鉗式分離機(jī)構(gòu)體積更小、重量更小、承載能力顯著提升且能實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。此外，卡勾式機(jī)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配方便，在未來無人機(jī)回收傘分離過程中可作為替代鋼球式分離機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品。