基于AMESim的火工作動(dòng)裝置仿真方法研究

雷 豹，梁祖典，王宇銳，王曉鵬，程 蕾

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

火工裝置大量用于航天領(lǐng)域，其性能往往是決定航天器飛行成敗的關(guān)鍵因素。火工裝置按功能可分為解鎖裝置、作動(dòng)裝置、切割裝置等。火工作動(dòng)裝置是一種驅(qū)動(dòng)作用的活塞式裝置，用來(lái)操作開(kāi)關(guān)、閥、保險(xiǎn)/解除保險(xiǎn)裝置和各種分離機(jī)構(gòu)。主要由活塞桿和活塞筒組成，其原理是火藥點(diǎn)火后產(chǎn)生高壓高溫氣體推動(dòng)活塞，從而為終端機(jī)構(gòu)提供推力、位移、速度、沖量等。其產(chǎn)生的作用是：

1)推動(dòng)一定質(zhì)量的物體，并將物體加速到規(guī)定速度；

2)產(chǎn)生推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)相連機(jī)構(gòu)克服負(fù)載完成直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]。

火工作動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作的一種高效裝置，在與適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)組合后可實(shí)現(xiàn)各種作動(dòng)功能要求[2]?；鸸ぷ鲃?dòng)裝置可作為各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，如折疊翼/舵、堵蓋機(jī)構(gòu)、彈射裝置等。

火工作動(dòng)裝置的整個(gè)工作過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，它包含了多種運(yùn)動(dòng)形式，各種運(yùn)動(dòng)形式都不是孤立的，而是相互依存又相互制約的。傳統(tǒng)的火工裝置研制一直沿用“設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-修改”的程序，而這種研制模式缺乏理論指導(dǎo)，火工裝置性能及可靠性特性只能通過(guò)大量試驗(yàn)獲得，通過(guò)試錯(cuò)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品反復(fù)優(yōu)化[3]，導(dǎo)致研制周期長(zhǎng)、成本高。

杜永剛等[4]、高濱[5]建立了火工作動(dòng)裝置各容腔工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。吳建剛等[6]、水龍等[3]進(jìn)一步開(kāi)展了帶阻尼腔的火工作動(dòng)裝置數(shù)值仿真方法研究。但由于高溫爆燃?xì)怏w的動(dòng)力過(guò)程的復(fù)雜性，以及目前人們對(duì)動(dòng)力腔內(nèi)的各種現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的局限性，在這種情況下所建立起來(lái)的動(dòng)力方程組所反映出來(lái)的壓力曲線就只能具有近似性，只能定性地分析壓力變化規(guī)律。

本文基于AMESim建立了“火藥燃燒產(chǎn)氣-排氣-對(duì)外做功”的仿真模型，對(duì)火工裝置系統(tǒng)作用機(jī)理和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行全面的分析，并獲得裝藥量、限流孔徑及初始容積等因素對(duì)作動(dòng)筒輸出推力的影響規(guī)律。同時(shí)設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)，獲得火工作動(dòng)裝置的輸出性能，驗(yàn)證并修正仿真模型，使仿真模型更為精確，可有效指導(dǎo)火工作動(dòng)裝置快速設(shè)計(jì)迭代。

1 研究背景

某飛行器堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)過(guò)程中既有較大的氣動(dòng)阻礙力，又有一定的氣動(dòng)促進(jìn)力，針對(duì)拉伸彈簧機(jī)械式驅(qū)動(dòng)方案無(wú)法克服大氣動(dòng)負(fù)載的技術(shù)難題，堵蓋打開(kāi)機(jī)構(gòu)采用火工作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。堵蓋打開(kāi)機(jī)構(gòu)由火工作動(dòng)筒、連桿機(jī)構(gòu)和堵蓋蓋板組成?；鸸ぷ鲃?dòng)筒包含高壓腔、低壓腔，兩腔之間通過(guò)限流孔連通，高壓腔內(nèi)裝有藥盒。

圖1 堵蓋打開(kāi)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Model of open mechanism of inlet port cover

火工作動(dòng)筒工作原理為：接收到工作信號(hào)后，點(diǎn)火器發(fā)火，引爆高壓腔內(nèi)藥盒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，?jīng)過(guò)限流孔后進(jìn)入低壓腔，燃?xì)馔苿?dòng)活塞桿剪斷剪切銷(xiāo)后做直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)外做功。堵蓋打開(kāi)機(jī)構(gòu)工作原理為：火工作動(dòng)筒工作后，活塞桿驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)堵蓋蓋板打開(kāi)，堵蓋蓋板上可作用外部負(fù)載。

2 火工作動(dòng)裝置仿真分析方法

2.1 仿真環(huán)境

LMS Imagine Lab AMESim為多學(xué)科仿真分析軟件，采用基于物理模型的圖形化建模方式。本文采用AMESim建立“火藥燃燒產(chǎn)氣—排氣—對(duì)外做功”的仿真模型，同時(shí)包含火藥燃燒產(chǎn)氣過(guò)程、氣體膨脹作功過(guò)程和活塞桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)火工作動(dòng)裝置全物理過(guò)程的仿真。AMESim主要解決氣動(dòng)物理模型的仿真求解，若火工作動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的負(fù)載運(yùn)動(dòng)，則負(fù)載機(jī)構(gòu)可在專業(yè)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立，通過(guò)AMESim與LMS Virtual Lab Motion或Adams聯(lián)合仿真求解。

2.2 假設(shè)條件

對(duì)于氣體膨脹過(guò)程有以下假設(shè)：

1)過(guò)程是絕熱的、定常的；

2)流場(chǎng)是一維的；

3)產(chǎn)物是均勻的，并遵循理想氣體狀態(tài)方程[7]；

4)忽略產(chǎn)物內(nèi)部摩擦等不可逆過(guò)程，膨脹是等熵的[8]。

2.3 多參數(shù)優(yōu)化

火工作動(dòng)筒參數(shù)優(yōu)化原則：

1)做功能量裕度一般不小于1.5；

2)推力曲線盡量均勻平緩；

3)打開(kāi)時(shí)間在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量長(zhǎng)；

4)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的前提下，裝藥量越高越好，以減小點(diǎn)火器單雙點(diǎn)的影響；

5)到位推力越大越好，可使作動(dòng)筒到位后壓緊堵蓋；

6)為滿足點(diǎn)火器密封性能要求，高壓腔初始?jí)毫Σ粦?yīng)過(guò)高。

火工作動(dòng)筒的關(guān)鍵輸出指標(biāo)包括峰值推力、作動(dòng)時(shí)間、到位推力、輸出沖量等，影響這些指標(biāo)的因素包括裝藥量、高壓腔初始?jí)毫Α⒊跏既莘e、低壓腔初始容積、限流孔徑、活塞筒內(nèi)徑、剪切銷(xiāo)剪斷力、負(fù)載質(zhì)量及負(fù)載力等，如圖2(a)所示。這種多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)給優(yōu)化帶來(lái)困難，如何通過(guò)這些參數(shù)的合理匹配，使作動(dòng)筒輸出推力均勻平緩，且能滿足運(yùn)動(dòng)要求就成為火工作動(dòng)裝置研制的關(guān)鍵。

本仿真方法基于AMESim多參數(shù)分析模塊，可快速高效地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以獲得理想的輸出特性，同時(shí)可獲得各輸出特性對(duì)影響因素的敏感度，從而有效指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化。圖2(b)為兩個(gè)參數(shù)(裝藥量、低壓腔初始容積)9種不同組合獲得的推力曲線對(duì)比，可分析得出裝藥量和低壓腔初始容積對(duì)推力曲線的影響規(guī)律。

(a)輸入和輸出

(b)仿真結(jié)果圖2 火工作動(dòng)筒多參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of multi-parameter optimization of pyrotechnic actuated devices

2.4 火藥燃燒產(chǎn)氣模型

火藥燃燒產(chǎn)氣模型如圖3所示。本文創(chuàng)新性地采用流量輸入模擬火藥燃燒速率，通過(guò)試驗(yàn)獲得的定容爆壓數(shù)據(jù)可逆向推導(dǎo)出流量參數(shù)，見(jiàn)式(1)～(4)，將黑火藥燃燒產(chǎn)物近似為理想氣體。將計(jì)算獲得的流量隨時(shí)間變化曲線輸入模型中，通過(guò)調(diào)節(jié)比例系數(shù)，可使仿真輸出的容腔壓力曲線與試驗(yàn)曲線相吻合。

圖3 火藥燃燒產(chǎn)氣模型Fig.3 Model of burning gunpowder producing gas

PV=nRT

(1)

PMV=mRT

(2)

(3)

(4)

式中，M為理想氣體摩爾質(zhì)量，m為火藥燃燒氣體產(chǎn)物的質(zhì)量。

2.5 火工作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊模型

火工作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊模型如圖4所示。建立“火藥燃燒產(chǎn)氣—高壓腔—限流孔—低壓腔—活塞缸—剪切銷(xiāo)—質(zhì)量塊”自內(nèi)向外的仿真模型，在各物理模型中輸入火工作動(dòng)筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理輸入相關(guān)控制參數(shù)，一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)如限流孔的流量系數(shù)，需根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)修正。

圖4 作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊模型Fig.4 Model of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

假設(shè)不考慮黑火藥燃速受溫度和壓力的影響，即流量輸入為固定曲線。通過(guò)仿真，可獲得流量輸入下的高壓腔、低壓腔壓力曲線及活塞缸的推力曲線，以及質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線。同時(shí)，通過(guò)改變限流孔徑、高壓腔初始容積、低壓腔初始容積、流量輸入、剪切力、質(zhì)量塊質(zhì)量等，可進(jìn)行多參數(shù)組合仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得理想的作動(dòng)筒輸出推力特性。

2.6 火工作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)模型

火工作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。在AMESim的平面連桿模塊中創(chuàng)建堵蓋機(jī)構(gòu)桿系機(jī)構(gòu)模型，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置連桿的坐標(biāo)位置及質(zhì)量和慣量參數(shù)。對(duì)于復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，可在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立其模型，如AMESim與LMS Virtual Lab Motion聯(lián)合仿真，仿真界面如圖6所示。通過(guò)仿真可獲得負(fù)載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)作動(dòng)筒參數(shù)可使其輸出推力特性滿足負(fù)載機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能要求。

圖5 基于AMESim的火工作動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)模型Fig.5 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim

圖6 基于AMESim和Motion的火工作動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)模型Fig.6 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim and Motion

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為研究火工作動(dòng)裝置的輸出特性，設(shè)計(jì)3個(gè)層級(jí)的試驗(yàn)：裝藥組件定容爆壓試驗(yàn)、火工作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊試驗(yàn)及火工作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)試驗(yàn)，分別與前述3個(gè)仿真模型對(duì)應(yīng)。

3.1 裝藥組件定容爆壓試驗(yàn)

用不同數(shù)量點(diǎn)火器，在高溫、低溫、常溫下分別進(jìn)行試驗(yàn)，將裝藥組件分別進(jìn)行高溫雙點(diǎn)、常溫雙點(diǎn)及低溫單點(diǎn)試驗(yàn)，以獲得裝藥組件的輸出爆壓的穩(wěn)定性，如圖7和圖8所示。獲得足夠的試驗(yàn)子樣數(shù)據(jù)后，篩選出爆壓下限曲線，逆向推導(dǎo)出其流量曲線，從而作為AMESim的仿真輸入。

圖7 裝藥組件定容爆壓試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Experiment photo of gunpowder blast pressure in fixed container

圖8 裝藥組件定容爆壓曲線Fig.8 Pressure curve of gunpowder blast in fixed container

3.2 作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊試驗(yàn)

圖9為火工作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊試驗(yàn)照片。試驗(yàn)前，將作動(dòng)筒安裝在支架上，支架位于導(dǎo)軌內(nèi)可沿軸向滑動(dòng)。推力傳感器選用BLR-1M/1t，量程為10 000 N，采樣頻率≥25 kHz。沖擊傳感器量程50 000 g，采樣頻率≥25 kHz。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄。對(duì)點(diǎn)火器發(fā)火，可聽(tīng)到明顯的碰撞聲，活塞桿推動(dòng)負(fù)載質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)到位。

(a)試驗(yàn)前

(b)試驗(yàn)后圖9 作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.9 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

通過(guò)火工作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊試驗(yàn)，測(cè)量獲得高壓腔和低壓腔的壓力曲線，并與仿真結(jié)果對(duì)比，如圖10所示。低壓腔初始段試驗(yàn)曲線偏低的原因?yàn)閴毫鞲衅鞯妮敵鲂】自诔跏紩r(shí)未完全露出，需運(yùn)動(dòng)一定行程才能完全露出。同時(shí)也直接測(cè)量了作動(dòng)筒推力曲線，與仿真結(jié)果對(duì)比如圖11所示?？梢?jiàn)仿真與試驗(yàn)曲線規(guī)律一致，符合性很好，驗(yàn)證了仿真方法的正確性。

圖10 作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊壓力曲線試驗(yàn)與仿真對(duì)比(A腔為高壓腔，B腔為低壓腔)Fig.10 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

圖11 作動(dòng)筒平推質(zhì)量塊推力曲線試驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.11 Comparison between experiment and simulation results of thrust curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

3.3 作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)試驗(yàn)

通過(guò)火工作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)試驗(yàn)，如圖12所示。測(cè)量獲得高壓腔和低壓腔的壓力曲線，并與仿真結(jié)果對(duì)比，如圖13所示。可見(jiàn)仿真與試驗(yàn)曲線規(guī)律一致，驗(yàn)證了仿真方法的正確性。

圖12 作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.12 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

圖13 作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)堵蓋機(jī)構(gòu)打開(kāi)試驗(yàn)與仿真曲線對(duì)比Fig.13 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

火工作動(dòng)筒關(guān)鍵輸出特性指標(biāo)對(duì)比如表1所示，表2為仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差，最小誤差僅為-0.9%。分析表明，基于AMESim模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，驗(yàn)證了理論分析及仿真模型的正確性。

表1 火工作動(dòng)筒仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2 火工作動(dòng)筒仿真與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差

4 結(jié)論

本文將多學(xué)科聯(lián)合仿真分析引入到火工作動(dòng)裝置研制過(guò)程中，可幫助設(shè)計(jì)人員深入理解作動(dòng)筒的燃燒產(chǎn)氣、排氣及對(duì)外做功的機(jī)理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更好地改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效指導(dǎo)試驗(yàn)，改變了以往火工作動(dòng)裝置以大量試驗(yàn)為主的研制方式，可實(shí)現(xiàn)火工作動(dòng)裝置的精細(xì)化參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，拓寬了火工作動(dòng)裝置的研制方法。