滾珠式打開機(jī)構(gòu)失效模式仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證①

張 濤，楊喜軍，睢麗琴，楊 樂，劉東洋，羅利萍

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院41所,西安 710025；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院7414廠,西安 710025)

0 引言

滾珠式打開機(jī)構(gòu)作為推力終止結(jié)構(gòu)的一種形式，在國(guó)內(nèi)外固體導(dǎo)彈上廣泛使用。一方面，它可用來調(diào)節(jié)導(dǎo)彈射程，控制導(dǎo)彈命中精度；另一方面，若導(dǎo)彈在飛行過程中出現(xiàn)無法排除的重大故障，根據(jù)控制系統(tǒng)可提前發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓導(dǎo)彈提前終止飛行，以免造成更大損失[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)廣泛使用的打開機(jī)構(gòu)方案為在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上對(duì)稱地開若干個(gè)孔，在孔的位置上安裝與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線成某一角度的反向噴管。其功能是當(dāng)推力終止時(shí)，由打開機(jī)構(gòu)打開反向噴管，燃?xì)饬鹘?jīng)反向噴管排出時(shí)建立反推力來抵消發(fā)動(dòng)機(jī)助推力。從反向噴管的功能來看，其結(jié)構(gòu)完整性是發(fā)動(dòng)機(jī)建立負(fù)推力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

滾珠式打開機(jī)構(gòu)主要由反噴管、滑板、擋板及滾珠構(gòu)成?；鍨槌辛Π?，兼作堵蓋，上有均布弧形槽，供滾珠周向定位。起爆管得到推力終止信號(hào)后工作，炸斷滑板中心削弱槽，兼作拋放擋板的動(dòng)力。在擋板拋放時(shí)，反噴管中的擋板、滾珠一并飛出，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)打開[4]。

在某型號(hào)飛行試驗(yàn)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)打開機(jī)構(gòu)滑板中心軸偏斜，導(dǎo)致其承載能力降低，自鎖結(jié)構(gòu)提前失效，飛行試驗(yàn)失利。因此，針對(duì)該問題，本文采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)行了滑板中心軸偏斜不同角度下的打開機(jī)構(gòu)承載能力計(jì)算；同時(shí)，利用自主設(shè)計(jì)的氣壓模擬試驗(yàn)裝置，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況，測(cè)得打開機(jī)構(gòu)的承載能力和失效模式，以檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的正確性。

1 計(jì)算模型及仿真計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

基于ABAQUS/Explicit有限元軟件，建立了打開機(jī)構(gòu)幾何模型，如圖1所示。除螺紋部分外，模型與零件形狀與尺寸細(xì)節(jié)均在模型中得以體現(xiàn)。建模后，將各零件進(jìn)行有限元離散，考慮到結(jié)構(gòu)形狀的復(fù)雜程度，反噴管、擋板、螺母采用三維六面體單元，滑板采用三維四面體單元，單元總數(shù)共計(jì)216 922個(gè)(見圖2)。為減少單元數(shù)量，降低計(jì)算難度，滾珠用剛體來模擬。

圖1 滾珠式打開機(jī)構(gòu)組件幾何模型

圖2 滾珠式打開機(jī)構(gòu)組件有限元模型

(1)邊界條件

設(shè)置反噴管法蘭盤位移約束為固定約束。在滑板下表面設(shè)定均布?jí)毫吔鐥l件，壓力在設(shè)定時(shí)間t內(nèi)線性增加到最大值。根據(jù)實(shí)際連接狀態(tài)，其余各零件之間建立接觸模型。

(2)接觸模型

在各零件之間均按照實(shí)際裝配關(guān)系定義接觸關(guān)系。由于接觸關(guān)系中的摩擦行為無法獲知，且為簡(jiǎn)化問題，在模擬中不考慮摩擦(即假設(shè)摩擦系數(shù)為0)的影響。擋板上螺母和反噴管上螺紋部位用Tie約束，即完全綁定在一起，模擬螺紋和螺紋之間不能存在相互位移。

(3)材料屬性

滾珠采用剛體假設(shè)，其他零件材料均為30CrMnSiA，假設(shè)材料為彈性，彈性模量208 GPa，密度為7.8 g/cm3。僅考慮材料彈性性質(zhì)，忽略塑性性質(zhì)，將導(dǎo)致結(jié)果中滾珠與各零件的局部擠壓區(qū)域的應(yīng)力高到不合理的程度(如超過2 000 MPa)，但這不影響對(duì)主要問題的分析。實(shí)際上，這些高應(yīng)力水平并不存在，應(yīng)力超過材料屈服極限，這意味著零件上部分區(qū)域可能產(chǎn)生輕微的塑性變形，這些區(qū)域主要在滾珠擠壓點(diǎn)上，對(duì)評(píng)估打開機(jī)構(gòu)故障機(jī)理影響很小。在考慮材料塑性的算例中，材料彈性性質(zhì)設(shè)置與彈性假設(shè)相同。

1.2 算例

本研究主要為探索滑板中心軸消弱槽偏斜對(duì)打開機(jī)構(gòu)的承載能力影響，因此計(jì)算過程中不考慮零件裝配間隙對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。研究過程共設(shè)計(jì)了5個(gè)算例，以體現(xiàn)中心軸不同的偏斜程度，各算例的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 算例參數(shù)

打開機(jī)構(gòu)中的零件除滾珠外材料為30CrMnSiA，該種金屬在承受約1 200 MPa應(yīng)力水平下將產(chǎn)生塑性屈服，從而進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段。計(jì)算中考慮材料塑性將更真實(shí)，但材料塑性行為是嚴(yán)重的非線性特征，將引起計(jì)算時(shí)間極大地延長(zhǎng)，甚至無法收斂。因此，為提高計(jì)算效率，只在第4個(gè)算例考慮了材料塑性行為。

1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果如圖3～圖7所示。其中，主要對(duì)算例3和算例4計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析考慮塑性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

(1)算例1、2計(jì)算結(jié)果表明，滾珠卡止約束正常，滑板組件鎖定有效(圖3、圖4)。

(2)算例3計(jì)算結(jié)果表明(圖5)，滾珠卡止約束即將出現(xiàn)問題，壓板一側(cè)已經(jīng)呈現(xiàn)較大向上翹曲變形，滾珠有脫離滑板上定位孔的趨勢(shì)，但當(dāng)前滑板組件尚未脫離。

而考慮了塑性的算例4，滾珠卡止約束已經(jīng)失效。這與實(shí)際情況各條件的相符程度較高。由圖6可見，壓板一側(cè)已經(jīng)呈現(xiàn)較大向上翹曲變形，滾珠已經(jīng)脫離滑板上定位孔。與算例3相比，滑板組件的脫離載荷將會(huì)降低約10%。

(3)對(duì)于算例5，p=5.525 MPa時(shí)，滾珠處于環(huán)形槽中，機(jī)構(gòu)卡止有效，如圖7所示。在下個(gè)載荷步(p=5.85 MPa)到來之際，打開機(jī)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生脫離?？赏茰y(cè)，脫離的臨界載荷在5.525～5.85 MPa之間。

(a)Von-Mises應(yīng)力

(b)軸向位移

(a)Von-Mises應(yīng)力

(b)軸向位移

(a)Von-Mises應(yīng)力

(b)軸向位移

(a)Von-Mises應(yīng)力

(b)軸向位移

(a)Von-Mises應(yīng)力，p=5.525 MPa

(b) p=5.525 MPa 時(shí)軸向位移

(c)p>5.525 MPa時(shí)軸向位移

通過以上5個(gè)算例的計(jì)算過程和結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)滑板中心軸偏斜，與反噴管軸線產(chǎn)生夾角，夾角存在使擋板對(duì)滾珠的約束狀態(tài)不一致，在持續(xù)增壓過程中，擋板較高一側(cè)滾珠在向上運(yùn)動(dòng)過程中，擠壓擋板邊緣的下側(cè)，對(duì)擋板局部造成向上的作用力，迫使擋板產(chǎn)生明顯的向上彎曲變形，隨后滾珠脫離反噴管上的環(huán)形槽，產(chǎn)生向側(cè)下方移動(dòng)的趨勢(shì)，滾珠向打開機(jī)構(gòu)軸心方向發(fā)生位移，使得滑板組件與反噴管之間的約束失效，滑板組件隨即在內(nèi)壓作用下脫離反噴管。

(2)滑板中心軸偏斜角度增加，打開機(jī)構(gòu)承載能力降低。綜合5個(gè)算例可見，在中心軸與反偏斜角度較小(如θ<0.5°)，該機(jī)構(gòu)在10 MPa條件下，仍不會(huì)發(fā)生脫離，說明此種條件下機(jī)構(gòu)具有很高的安全性。

(3)在相同的偏斜角情況下，考慮材料塑性后，滑板組件的脫離載荷將會(huì)降低約10%。機(jī)構(gòu)故障打開壓力降低。

(4)仿真計(jì)算結(jié)果是對(duì)θ與打開機(jī)構(gòu)承載能力關(guān)系的模擬和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果需進(jìn)行工程試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用氣壓模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)滾珠式打開機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)裝置

氣壓模擬試驗(yàn)裝置主要由殼體、前堵蓋、后堵蓋、點(diǎn)火系統(tǒng)、推進(jìn)劑、測(cè)壓系統(tǒng)、卸壓系統(tǒng)、固藥裝置、密封件、緊固件等組成，見圖8。

圖8 氣壓模擬試驗(yàn)裝置

氣壓模擬裝置工作原理如下：點(diǎn)火系統(tǒng)接收到電信號(hào)開始工作，點(diǎn)燃推進(jìn)劑，推進(jìn)劑在密閉的空腔內(nèi)燃燒，燃?xì)猱a(chǎn)生壓強(qiáng)。需要泄壓時(shí)，或在設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)出二次點(diǎn)火信號(hào)，泄壓系統(tǒng)工作，殼體內(nèi)腔的氣體泄出，壓強(qiáng)下降。

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

氣壓模擬驗(yàn)證試驗(yàn)共進(jìn)行3發(fā)點(diǎn)火試驗(yàn)，中心軸角度θ依次為0、1、1.5°。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)臥式安裝在試車臺(tái)上。試驗(yàn)前，在前堵蓋的2個(gè)測(cè)壓孔位置安裝2路測(cè)壓傳感器。另外，試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

試驗(yàn)1～試驗(yàn)3試驗(yàn)前、后狀態(tài)見圖9所示。可見，試驗(yàn)1中，試驗(yàn)裝置最大壓強(qiáng)9.5 MPa,打開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)完整，擋板與滑板均未飛出；試驗(yàn)2中，當(dāng)試驗(yàn)裝置點(diǎn)火后約0.5 s，內(nèi)腔壓強(qiáng)7.38 MPa時(shí),打開機(jī)構(gòu)擋板與滑板整體飛出；試驗(yàn)3中，試驗(yàn)裝置點(diǎn)火后約0.4 s，內(nèi)腔壓強(qiáng)5.91 MPa時(shí),打開機(jī)構(gòu)擋板與滑板整體飛出。

(a)試驗(yàn)1前 (b)試驗(yàn)1后

(c)試驗(yàn)2前 (d)試驗(yàn)2后

(e)試驗(yàn)3前 (f)試驗(yàn)3后

根據(jù)壓強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制了3發(fā)試驗(yàn)的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線，見圖10。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)驗(yàn)證試驗(yàn)中打開機(jī)構(gòu)的失效機(jī)理和失效模式與仿真計(jì)算一致。在增壓過程中，擋板擠壓滾珠，使得滾珠脫離環(huán)形槽，滑板組件與反噴管座自鎖約束失效，滑板與擋板整體飛出。

(2)當(dāng)滑板中心軸偏斜未偏斜時(shí)，內(nèi)腔壓強(qiáng)9.50 MPa時(shí)，打開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)完整，表明滾珠式打開機(jī)構(gòu)在其零、部組件合格、裝配正常的情況下，具有能較高的承載能力。

(3)滑板中心軸偏斜會(huì)影響打開機(jī)構(gòu)承載能力。當(dāng)滑板中心槽偏斜1°，內(nèi)腔壓強(qiáng)7.38 MPa時(shí)，打開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)失效，擋板與滑板整體飛出；當(dāng)滑板中心槽偏斜1.5°，內(nèi)腔壓強(qiáng)5.91 MPa時(shí)，打開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)失效，擋板與滑板整體飛出。

(4)滑板中心槽偏斜角度越大，打開機(jī)構(gòu)承壓能力越低。

圖10 壓強(qiáng)-時(shí)間曲線

3 結(jié)論

(1)滾珠式打開機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的承載能力，一般情況下承載能力可達(dá)10 MPa左右。

(2)從仿真計(jì)算和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可看出，在相同偏斜角情況下，打開機(jī)構(gòu)失效載荷基本一致。

(3)滑板中心軸偏斜，會(huì)引起滾珠式打開機(jī)構(gòu)承載能力下降。偏斜角度越大，其承載能力越低，即中心軸偏斜1°，其承載能力降低15%～20%。

(4)從計(jì)算和試驗(yàn)過程認(rèn)識(shí)到，滾珠式打開機(jī)構(gòu)存在裝配困難、承載能力無法直接檢測(cè)等缺點(diǎn)。因此，有必要根據(jù)需要設(shè)計(jì)一種新型的打開機(jī)構(gòu)。

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