線式分離結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)高頻沖擊環(huán)境的影響分析

高 慶， 陳新民， 趙永輝

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016; 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

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線式分離結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)高頻沖擊環(huán)境的影響分析

高 慶1,2， 陳新民2， 趙永輝1

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016; 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

傳統(tǒng)的分離沖擊環(huán)境分析重點(diǎn)關(guān)注火工裝置本身作用(包括火藥爆炸和應(yīng)力釋放等)產(chǎn)生的高頻瞬態(tài)沖擊，在分離結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境的影響和貢獻(xiàn)等方面的關(guān)注不夠。在某線式分離系統(tǒng)高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境條件的制定過(guò)程中，開(kāi)展了沖擊環(huán)境的預(yù)示分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊的各貢獻(xiàn)因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，辨識(shí)確定了分離結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊的影響程度，摸清了地面及飛行試驗(yàn)中高頻沖擊環(huán)境的差異原因。

高頻沖擊；高應(yīng)力釋放；天地差異性

通常根據(jù)飛行器激勵(lì)源和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異，特別是頻率范圍的差異，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分為低頻振動(dòng)、高頻振動(dòng)以及高頻瞬態(tài)沖擊等三類(lèi)[1]，其中高頻瞬態(tài)沖擊主要來(lái)源于火工裝置在工作過(guò)程中大量能量的迅速釋放，因此也常常把高頻瞬態(tài)沖擊稱為爆炸沖擊或火工品沖擊。高頻瞬態(tài)沖擊的主要特點(diǎn)是：高量級(jí)，近場(chǎng)沖擊加速度范圍為1 000 g～100 000 g；時(shí)間短，衰減一般在20 ms以內(nèi)；傳播形式為應(yīng)力波[2]。

美國(guó)航空航天局(NASA)曾經(jīng)統(tǒng)計(jì)了從1963～1985年的所有飛行故障[3]，在88次可能與爆炸沖擊或振動(dòng)有關(guān)的故障中,超過(guò)63次是由爆炸沖擊直接或間接引起的，占71%以上，且多數(shù)是災(zāi)難性故障?？梢哉f(shuō)爆炸沖擊幾乎是所有航天器最嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境之一,是導(dǎo)致飛行故障的主要環(huán)境因素，對(duì)飛行成功有著重要影響。國(guó)內(nèi)外航天界對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)在產(chǎn)生過(guò)程、環(huán)境特點(diǎn)、對(duì)儀器設(shè)備的破壞機(jī)理及其防護(hù)、環(huán)境的測(cè)量分析、環(huán)境預(yù)示、試驗(yàn)條件制定、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證等方面，取得了豐富的研究成果[4]。美國(guó)已經(jīng)逐漸建立了一套完善的行業(yè)管理規(guī)范,并得到了嚴(yán)格執(zhí)行,如NASA-STD-7003、NASA-HDBK-7005、MIL-STD-810G、火工品沖擊設(shè)計(jì)指南等系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及設(shè)計(jì)手冊(cè)。國(guó)內(nèi)也隨后建立了GJB150A、GJB/Z126等沖擊數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)方法等方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在產(chǎn)品耐沖擊設(shè)計(jì)[5]和沖擊環(huán)境試驗(yàn)考核中，廣泛采用布洛特(Blot)在1963年提出的沖擊響應(yīng)譜(SRS)。

在高頻瞬態(tài)沖擊的研究中，重點(diǎn)關(guān)注的是火工裝置爆炸產(chǎn)生的沖擊環(huán)境，更進(jìn)一步也僅考慮了連接面預(yù)緊力應(yīng)變能釋放過(guò)程對(duì)沖擊環(huán)境的影響[1,4,6]。張建華[4]指出加了預(yù)緊力的火工裝置分離后,應(yīng)變能的突然釋放增加了沖擊環(huán)境的烈度。王軍評(píng)等[7]以典型爆炸螺栓及其連接結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分別建立了爆炸、應(yīng)變能釋放、撞擊等過(guò)程的數(shù)值計(jì)算模型，定量研究了各載荷作用機(jī)制及其引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，數(shù)值仿真結(jié)果表明，在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，爆炸載荷的貢獻(xiàn)最大，其激起的加速度響應(yīng)峰值是應(yīng)變能釋放和撞擊的3倍左右。美國(guó)著名火工裝置研發(fā)機(jī)構(gòu)Hi-SHEAR技術(shù)公司20世紀(jì)70年代研制的SN-9400系列低沖擊分離爆炸螺栓，預(yù)緊力為89 kN，在2 000 Hz處火工品爆炸占10%，應(yīng)變能釋放占60%，部件撞擊占30%；SN-9500系列低沖擊分離爆炸螺栓，預(yù)緊力為89 kN，在2 000 Hz處工品爆炸占30%，應(yīng)變能釋放占20%，部件撞擊占50%[8]。各主要研究仍普遍將火工品視為高頻瞬態(tài)沖擊的主要激勵(lì)源，以至于把高頻瞬態(tài)沖擊簡(jiǎn)稱為爆炸沖擊或火工品沖擊，在分離結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境的影響和貢獻(xiàn)方面關(guān)注不夠；在高頻瞬態(tài)沖擊的數(shù)據(jù)收集、條件制定、試驗(yàn)考核等方面，主要模擬火工裝置及其連接安裝因素的作用，忽略其他因素的影響。

本文在分析和制定某線式分離方案高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境條件的過(guò)程中，全面分析了各主要影響因素，利用傳統(tǒng)外推方法預(yù)示了火工裝置沖擊環(huán)境，利用有限元數(shù)值分析方法預(yù)示了結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放的高頻沖擊環(huán)境；然后進(jìn)行綜合疊加得到了該線式分離方案的沖擊環(huán)境預(yù)示結(jié)果，并初步分析各因素的貢獻(xiàn)情況；最后利用試驗(yàn)方法分別獲得了火工裝置和該線式分離方案的沖擊環(huán)境，并對(duì)預(yù)示結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和對(duì)比分析，同時(shí)也對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境各貢獻(xiàn)因素進(jìn)行了更詳細(xì)的分析，辨識(shí)確定了分離結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)高頻瞬態(tài)沖擊的重大影響，摸清了地面及飛行試驗(yàn)中高頻沖擊環(huán)境的差異原因。此外，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力狀態(tài)僅指在外力作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較高，甚至接近結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力。

1 某線式分離設(shè)計(jì)方案

某線式分離設(shè)計(jì)方案中，采用氣動(dòng)冷分離方式，在艙內(nèi)壓力提高至1.0 MPa以上時(shí)，利用切割索產(chǎn)生的射流解除艙段結(jié)構(gòu)連接，在艙內(nèi)壓力作用下前后體快速分離。因此該高頻沖擊環(huán)境可能有兩個(gè)激勵(lì)源，分別為火工裝置動(dòng)作，以及艙段結(jié)構(gòu)應(yīng)力(由艙內(nèi)壓力產(chǎn)生)釋放。分離艙段結(jié)構(gòu)形式為等厚薄壁圓柱殼體，殼體直徑為700 mm，壁厚5 mm，沖擊測(cè)點(diǎn)距分離面250 mm(圖1)。

圖1 某線式分離設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1 The sketch of alinear separation design

2 分離高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境的預(yù)示分析

2.1 火工裝置動(dòng)作產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境預(yù)示

獲取火工裝置產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)最常用的方法是直接測(cè)量和數(shù)據(jù)外推，通常在設(shè)計(jì)初期采用數(shù)據(jù)外推法，在具備試驗(yàn)條件后，最好采用直接測(cè)量法。爆炸分離沖擊環(huán)境的外推過(guò)程一般涉及兩個(gè)主要換算過(guò)程[1]：火工裝置釋放總能量的換算，及爆炸能量源與響應(yīng)位置之間距離與結(jié)構(gòu)形式的換算。

本文參考其他型號(hào)的地面及飛行試驗(yàn)沖擊測(cè)量數(shù)據(jù)，利用外推法，預(yù)示得到了該火工裝置動(dòng)作產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境結(jié)果(圖2)，此外參考NASA-HDBK-7005[1]中飛行試驗(yàn)沖擊響應(yīng)譜散差數(shù)據(jù)，確定火工裝置產(chǎn)生高頻沖擊環(huán)境的散差為±3 dB。

圖2 火工裝置的沖擊響應(yīng)譜預(yù)示結(jié)果Fig.2 The prediction ofSRS induced by a pyrotechnic

2.2 結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境預(yù)示

結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境，沒(méi)有測(cè)量數(shù)據(jù)可供參考，也較難開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)量，因此本文采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，預(yù)示高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境。圖3為利用數(shù)值方法得到?jīng)_擊測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間歷程，圖4為其沖擊響應(yīng)譜分析結(jié)果。但利用數(shù)值方法，無(wú)法確定高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊環(huán)境的散布，工程中暫取散差為±2 dB。

圖3 高應(yīng)力釋放的高頻沖擊時(shí)域預(yù)示結(jié)果Fig.3 The prediction of response induced by high stress delivery

圖4 高應(yīng)力釋放的沖擊響應(yīng)譜預(yù)示結(jié)果Fig.4 The prediction of SRS induced by high stress delivery

該數(shù)值仿真過(guò)程為，首先建立線式分離結(jié)構(gòu)(圖1)的有限元模型，然后施加艙內(nèi)壓力P并計(jì)算結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后在短時(shí)間內(nèi)完成應(yīng)力釋放(內(nèi)壓卸載)，利用動(dòng)響應(yīng)分析方法，獲得沖擊測(cè)點(diǎn)處的時(shí)域響應(yīng)，最后得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放的沖擊響應(yīng)譜。分析中應(yīng)力釋放(內(nèi)壓卸載)過(guò)程的時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)，是參考艙段分離時(shí)間(1 ms)確定的。

2.3 高頻沖擊環(huán)境的合成

在實(shí)際中無(wú)論是火工裝置產(chǎn)生的高頻沖擊，還是應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊，都存在一定的隨機(jī)性，兩激勵(lì)源之間不存在相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，可認(rèn)為激勵(lì)源的分布是相互獨(dú)立的，因此在沖擊響應(yīng)譜合成過(guò)程中，均值采用線性疊加方法，偏差采用標(biāo)準(zhǔn)差合成方法。

根據(jù)上述分析結(jié)果和原則，預(yù)示確定了某線式分離方案分離過(guò)程中的兩激勵(lì)因素合成沖擊響應(yīng)譜及其上下偏差(圖5)，在沖擊響應(yīng)譜峰值頻率附近，火工爆炸約占55%～60%(圖2與圖5均值的比值)，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放約占45%～40%(圖4與圖5均值的比值)。因此結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)高頻沖擊環(huán)境的貢獻(xiàn)不可忽略，在地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和考核驗(yàn)證過(guò)程中，必須同時(shí)模擬火工品和高應(yīng)力釋放的共同作用。

圖5 某線式分離方案的沖擊環(huán)境及其偏差預(yù)示結(jié)果Fig.5 The SRS prediction and deviations of the linear separation design

3 分離高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)某線式分離高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境的預(yù)示結(jié)果和分析結(jié)論，在該沖擊環(huán)境的獲取和驗(yàn)證、彈上產(chǎn)品對(duì)高頻沖擊環(huán)境的適應(yīng)性考核等過(guò)程中，綜合考慮試驗(yàn)成本、技術(shù)難度等其他因素，分別開(kāi)展了火工裝置單獨(dú)作用、火工裝置+結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放聯(lián)合作用時(shí)的分離試驗(yàn)，獲取了相應(yīng)狀態(tài)的高頻沖擊環(huán)境，一定程度上驗(yàn)證了沖擊環(huán)境的預(yù)示結(jié)果和分析結(jié)論。

3.1 火工裝置單獨(dú)作用的試驗(yàn)結(jié)果

利用真實(shí)艙段結(jié)構(gòu)及火工裝置，開(kāi)展了多次分離試驗(yàn)(S1～S3)，試驗(yàn)過(guò)程中未模擬艙內(nèi)壓力，測(cè)量得到了火工裝置單獨(dú)作用時(shí)沖擊測(cè)點(diǎn)處的沖擊環(huán)境，并采用李會(huì)娜等[9]推薦的對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè)統(tǒng)計(jì)估計(jì)方法，得到P95/50值最高期望環(huán)境。與外推預(yù)示結(jié)果相比(圖6)，軸向的試驗(yàn)結(jié)果(圖6(a))與預(yù)示結(jié)果較為吻合，最大量級(jí)均為6 000 g左右；但徑向的試驗(yàn)結(jié)果(圖6(b))與預(yù)示結(jié)果偏差較大，僅為預(yù)示結(jié)果的50%(-6 dB)左右。徑向預(yù)示誤差顯著大于軸向預(yù)示誤差的原因?yàn)椋涸诨鸸て窙_擊環(huán)境預(yù)示過(guò)程中，主要參考了相似型號(hào)(僅采用火工品)分離試驗(yàn)的軸向測(cè)量數(shù)據(jù)(大于徑向沖擊量級(jí))，忽視了各方向高頻沖擊環(huán)境之間的差異，因此在利用外推法進(jìn)行沖擊環(huán)境預(yù)示時(shí)，應(yīng)關(guān)注參考數(shù)據(jù)的方向差異性。

圖6 火工裝置的沖擊環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)示結(jié)果對(duì)比Fig.6 The SRS prediction and test results of the pyrotechnic device

3.2 火工裝置+結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放綜合作用的試驗(yàn)結(jié)果

利用真實(shí)分離結(jié)構(gòu)及火工裝置，再次開(kāi)展了兩次分離試驗(yàn)(地面試驗(yàn)S4和飛行試驗(yàn)F1)，試驗(yàn)過(guò)程中模擬艙內(nèi)壓力，測(cè)量得到了火工裝置及結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放綜合作用時(shí)沖擊測(cè)點(diǎn)處的沖擊環(huán)境，并與預(yù)示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖7)?？梢?jiàn)，除100 Hz以下低頻段以外，軸向的試驗(yàn)結(jié)果(圖7(a))與預(yù)示結(jié)果較為吻合，最大量級(jí)均為10 000 g左右，誤差在±1dB范圍內(nèi)，拐點(diǎn)頻率在3 000 Hz附近；徑向的試驗(yàn)結(jié)果(圖7(b))與預(yù)示結(jié)果偏差稍大，在拐點(diǎn)頻率3 000 Hz附近，量級(jí)誤差為20%(-2 dB)左右；上述分離沖擊環(huán)境預(yù)示分析方法的偏差小于±3 dB，可用于制定高頻沖擊環(huán)境條件。徑向預(yù)示誤差稍大的原因是，3.1節(jié)中火工品沖擊環(huán)境的徑向預(yù)示偏差較大(-6 dB)。

圖7 火工裝置及高應(yīng)力釋放綜合沖擊環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比Fig.7 The SRS prediction and test results of the separation design

4 高頻沖擊環(huán)境天地差異性分析

以軸向?yàn)槔瑢?duì)比飛行試驗(yàn)(F1)與四次地面試驗(yàn)(S1～S4)相同結(jié)構(gòu)位置處的高頻沖擊環(huán)境測(cè)量結(jié)果(圖8、表1)，可見(jiàn)地面試驗(yàn)S1～S3較為一致，地面試驗(yàn)S4與飛行試驗(yàn)F1較為吻合。由于各次試驗(yàn)的分離結(jié)構(gòu)、火工裝置等技術(shù)狀態(tài)相同，主要差異原因是地面試驗(yàn)S1～S3均未模擬艙內(nèi)壓力，沖擊測(cè)量結(jié)果中不含結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的高頻沖擊；而地面試驗(yàn)S4和飛行試驗(yàn)F1均模擬了艙內(nèi)壓力。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)中峰值頻率也發(fā)生了一定變化。

圖8 相同位置不同試驗(yàn)狀態(tài)的沖擊響應(yīng)譜對(duì)比(軸向)Fig.8 The axial SRS results from several tests

試驗(yàn)編號(hào)S1S2S3S4F1試驗(yàn) 火工裝置/(g·m-1)4.64.64.64.64.6狀態(tài) 艙內(nèi)壓力P/MPa表壓0.000.000.000.750.93沖擊響應(yīng)譜最大值/g43004800420077009700對(duì)應(yīng)頻率/Hz34003200310048004600

表中沖擊響應(yīng)譜峰值和艙內(nèi)壓力狀態(tài)的關(guān)系曲線如圖9所示。數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果表明，沖擊響應(yīng)譜峰值增量與艙內(nèi)壓力的關(guān)系近似為：

SRSpress=3 030p3+3 400p

(1)

圖9 沖擊響應(yīng)譜峰值與艙內(nèi)壓力的關(guān)系Fig.9 The relationship between SRS peaks and internal pressures

模擬艙內(nèi)壓力和未模擬艙內(nèi)壓力的兩種試驗(yàn)狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(P95/50)如表2所示，將模擬艙內(nèi)壓力狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果作為該分離方案的總沖擊量級(jí)，將未模擬艙內(nèi)壓力狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果作為火工品對(duì)總沖擊量級(jí)的貢獻(xiàn)部分，將剩余部分作為結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放對(duì)沖擊量級(jí)的貢獻(xiàn)。

可見(jiàn)在該分離方案中，火工裝置產(chǎn)生的高頻沖擊占總沖擊量級(jí)的60%(軸向)～30%(徑向)；而由于艙內(nèi)壓力較大(1 MPa)，艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的沖擊環(huán)境能夠占到總沖擊量級(jí)的40%(軸向)～70%(徑向)，與SN9400系列爆炸螺栓[8]的比例基本相當(dāng)，但峰值頻率變化規(guī)律存在較大差異。

表2 各沖擊激勵(lì)源對(duì)沖擊環(huán)境的貢獻(xiàn)

5 結(jié) 論

本文以某線式分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，開(kāi)展了沖擊激勵(lì)源的全面分析，并利用預(yù)示分析和試驗(yàn)的方法，獲得了火工裝置動(dòng)作、結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放、以及綜合作用產(chǎn)生的沖擊環(huán)境。辨識(shí)出結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放對(duì)沖擊環(huán)境的影響作用，弄清了各次地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)之間沖擊環(huán)境的差異原因。綜合預(yù)示和試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下結(jié)論和建議：

(1) 高頻瞬態(tài)沖擊的激勵(lì)源不僅僅是火工裝置，被連接結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力釋放也能產(chǎn)生較大的沖擊環(huán)境，并與火工裝置產(chǎn)生的高頻沖擊相疊加，產(chǎn)生更惡劣的高頻瞬態(tài)沖擊環(huán)境。艙內(nèi)壓力較大(1 MPa)時(shí)，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力釋放產(chǎn)生的沖擊環(huán)境可能占總沖擊量級(jí)的40%(軸向)～70%(徑向)；

(2) 多激勵(lì)源的沖擊環(huán)境預(yù)示及合成，均值可采用線性疊加方法，偏差可采用標(biāo)準(zhǔn)差合成方法，但峰值頻率的預(yù)示偏差較大。建議深入研究多沖擊激勵(lì)源的相互影響相互疊加的機(jī)理，對(duì)沖擊響應(yīng)譜峰值頻率偏移的現(xiàn)象開(kāi)展更細(xì)致的分析。

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Influences of higher stress relaxation of separating structures on high frequency shock environments

GAO Qing1,2, CHEN Xinmin2, ZHAO Yonghui1

(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

Currently, the high frequency shock environments produced by pyrotechnics receive much attention except influences of high stress relaxation. In a certain high frequency shock environment analysis, all affecting factors were considered, especially, the influences of separating structures’ higher stress relaxation on high frequency shock environments were studied. All reasons causing the difference between ground test and flight tests were clarified.

high frequency shock higher stress; relaxation; difference between flight test and ground test

2015-07-06 修改稿收到日期：2015-11-04

高慶 男，碩士，高級(jí)工程師，1982年4月生

趙永輝 男，教授，博士生導(dǎo)師，1969年11月生

V216.5

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.026