基于虛擬樣機的安全自毀裝置安裝設(shè)計與仿真

冷 月 馮韶偉 周 鑫 趙 婷 鄭正路

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基于虛擬樣機的安全自毀裝置安裝設(shè)計與仿真

冷 月1馮韶偉1周 鑫1趙 婷1鄭正路2

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076）

為提高運載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計質(zhì)量，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，減少設(shè)計周期及成本，利用Creo 2.0軟件建立安全自毀裝置虛擬樣機系統(tǒng)，利用Abaqus 6.11 Standard軟件對安裝結(jié)構(gòu)的強度及剛度進行有限元分析，利用CATIA軟件對安裝及解鎖確認流程進行了人機工程仿真。仿真分析表明，在飛行載荷作用下，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強度滿足要求；安全自毀裝置總裝總體布局及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足發(fā)射場安裝及解鎖確認操作要求，為后續(xù)虛擬樣機技術(shù)在運載火箭上產(chǎn)品安裝設(shè)計與仿真的應用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

虛擬樣機；安全自毀裝置；有限元仿真；人機工程

1 引言

安全自毀裝置是運載火箭安全控制系統(tǒng)的重要終端，當火箭飛行偏離彈道時實現(xiàn)自毀功能，以免造成人員和財產(chǎn)損失[1]。安全自毀裝置在發(fā)射前安裝并需手動解鎖及確認激活狀態(tài)。為了適應運載火箭快速檢測、快速發(fā)射的理念，實現(xiàn)安全自毀裝置的可靠安裝及解鎖確認至關(guān)重要。傳統(tǒng)的安裝設(shè)計是設(shè)計人員憑借經(jīng)驗，采用二維設(shè)計方式，通過實物模裝或地面靜力試驗驗證設(shè)計的正確性，此種設(shè)計方式具有依賴設(shè)計經(jīng)驗、開發(fā)周期長、研制成本高的缺點。虛擬樣機是物理樣機的數(shù)字化仿真模型, 利用虛擬樣機可代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估[2～5]。虛擬樣機技術(shù)可以有效提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷、降低技術(shù)風險、提高設(shè)計質(zhì)量、縮短研制周期并節(jié)約研制經(jīng)費[6，7]。本文建立了安全自毀裝置的虛擬樣機系統(tǒng)，對安裝結(jié)構(gòu)的強度及剛度進行了有限元分析，并對安裝及解鎖確認流程進行了人機工程仿真，為設(shè)計方案的確定提供了有力的仿真依據(jù)。

2 安全自毀裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

安全自毀裝置主要由起爆裝置和爆炸裝置組成。起爆裝置具有安全保險和起爆性能，爆炸裝置具有毀傷性能。安全自毀裝置在臨射前裝箭，手動保險桿沿裝置軸線向下拔出以解鎖起爆裝置，并通過觀察孔觀察解鎖激活狀態(tài)。

3 安全自毀裝置虛擬樣機建立

3.1 安全自毀裝置總體布局

為保證火箭飛行偏離彈道時，安全自毀裝置能夠?qū)崿F(xiàn)將前后兩貯箱同時炸開，推進劑瀉出，因此將自毀裝置安裝于兩貯箱之間的箱間段內(nèi)，并且自毀裝置的軸線與箭體軸線平行。為給自毀裝置提供良好的振動環(huán)境，避免劇烈振動造成其誤爆炸，將其通過支架安裝于振動環(huán)境較好的燃箱前底。由于自毀裝置在臨射前安裝，并且射前需拔出手動保險桿以解鎖起爆裝置，通過觀察孔觀察解鎖激活狀態(tài)，因此將自毀裝置布局于箱間段艙口附近，便于操作與觀察。

利用Creo2.0三維設(shè)計軟件制作完成箭體結(jié)構(gòu)及安全自毀裝置的三維數(shù)模后，按照上述總體布局關(guān)系對三維數(shù)模進行裝配，構(gòu)成安全自毀裝置虛擬樣機。

3.2 安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)需要具有足夠的剛度與強度，以滿足飛行過程中的過載要求，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形與破壞，影響自毀裝置工作性能甚至飛行安全。為了避免浪費運載能力，航天產(chǎn)品尤其注重結(jié)構(gòu)效率，因此安裝結(jié)構(gòu)應在滿足強度與剛度的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕巧。由于安全自毀裝置在臨射前需拔出手動保險桿并且通過觀察孔觀察解鎖到位情況，因此安裝結(jié)構(gòu)需提供操作及觀察口。按照上述結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)

4 安裝結(jié)構(gòu)有限元分析

安全自毀裝置支架厚度為5mm，重量為6.5kg，最大軸向過載31.12g。本文采用有限元分析軟件Abaqus 6.11 Standard對安裝結(jié)構(gòu)的強度與剛度進行仿真分析。計算模型中的必要材料性能見表1。

表1 材料性能參數(shù)

4.1 分析模型建立

有限元分析模型如圖2所示，模型為靜力分析模型，有限元分析時考慮了材料、幾何非線性。分析模型中將支架簡化成板殼模型，均采用殼單元進行離散。其中支架模型中含有4.4萬個單元。模型中基本單元尺寸為3.0mm。

固定支架下側(cè)，在圓孔中心點處建立參考點，參考點與結(jié)構(gòu)進行耦合。根據(jù)拉、壓載荷的不同，建立了不同耦合方式，具體情況如圖3所示。

a 拉工況??????b 壓工況

4.2 分析工況及其載荷情況

根據(jù)載荷要求，支架上有效載荷重量6.5kg，最大軸向過載31.12g。折算得到作用力為2023N。方向沿安裝圓孔的中心線，如表2所示。支架載荷施加情況如圖4所示。

表2 工況載荷情況

4.3 分析結(jié)果

4.3.1 軸拉工況

圖5為支架軸向位移云圖，可以看到在螺孔附近的位移最大，為0.43mm。

圖6是沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線圖，曲線的起始點為矮邊側(cè)?？梢钥吹?，在缺口區(qū)的位移最大，為0.43mm。

圖7和圖8分別為結(jié)構(gòu)整體應力云圖及局部應力云圖，可以看到，結(jié)構(gòu)應力水平較低。

圖7 結(jié)構(gòu)整體應力云圖

圖8 局部應力云圖

4.3.2 軸壓工況

圖9為支架的軸向位移云圖，可以看到結(jié)構(gòu)整體位移很小。

圖10是沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線圖，曲線的起始點為矮邊側(cè)?？梢钥吹?，在缺口區(qū)的位移最大，為0.43mm。

圖11為結(jié)構(gòu)整體應力云圖，可以看到，結(jié)構(gòu)應力水平很低。

圖11 結(jié)構(gòu)整體應力云圖

上述分析結(jié)果表明，在飛行載荷作用下，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強度滿足要求，能夠避免出現(xiàn)較大變形與破壞，具體分析結(jié)果見表3。

表3 安裝結(jié)構(gòu)最大位移與應力

5 安裝流程人機工程仿真

安全自毀裝置安裝流程人機工程仿真主要針對自毀裝置安裝及解鎖確認兩個方面開展。本文采用CATIA軟件人機工程仿真模塊，在安全自毀裝置虛擬樣機的基礎(chǔ)上，利用3D人體模型技術(shù)建立操作人員的數(shù)字模型，實現(xiàn)對安全自毀裝置安裝流程人機工程仿真，使安裝流程更加形象、逼真和準確；不需采用實物模裝試驗即可在設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)不協(xié)調(diào)問題、規(guī)避操作風險，有效地縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本。

5.1 安全自毀裝置安裝

安全自毀裝置安裝操作包含自毀裝置通過箱間段操作口安裝于艙內(nèi)結(jié)構(gòu)上并擰緊安裝緊固件。經(jīng)仿真可知箱間段操作口尺寸及安裝結(jié)構(gòu)位置合適，操作人員站在艙門處可實現(xiàn)安全自毀裝置的入艙安裝。安全自毀裝置的安裝緊固能夠?qū)崿F(xiàn)可視性及可達性要求，滿足自毀裝置與安裝結(jié)構(gòu)可靠連接的設(shè)計要求。

5.2 安全自毀裝置解鎖確認

安全自毀裝置解鎖確認操作包含通過安裝結(jié)構(gòu)操作口將手動保險桿取出并且通過觀察孔觀察解鎖到位情況。經(jīng)仿真可知安裝結(jié)構(gòu)操作口尺寸及位置合適，保險桿可通過操作口和艙門順利取出并且通過觀察孔觀察的可視性良好，滿足安全自毀裝置解鎖確認要求。

6 結(jié)束語

本文建立了安全自毀裝置的虛擬樣機系統(tǒng)，對安裝結(jié)構(gòu)的強度及剛度進行了有限元分析，分析表明，在飛行載荷作用下，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強度滿足要求，能夠避免出現(xiàn)較大變形與破壞；對安裝及解鎖確認流程進行了人機工程仿真，仿真表明安全自毀裝置總裝總體布局及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足發(fā)射場安裝及解鎖確認操作要求，為設(shè)計方案的確定提供了極大的幫助。

1 龍樂豪. 總體設(shè)計[M]. 北京：宇航出版社，1993

2 王剛，楊鶯，劉少軍. 虛擬樣機技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應用[J]. 工程機械，2003(8)：11～13

3 李峰，徐誠，王永娟. 輕武器虛擬樣機有效性研究[J]. 機械設(shè)計，2007(7)：45～47

4 劉志剛，方立霞，訾珩，等. 基于虛擬樣機技術(shù)的凸輪機構(gòu)的設(shè)計與研究[J]. 機械工程師，2016(12)：102～105

5 湯瑞清，郭利. 基于虛擬樣機技術(shù)的汽車懸架轉(zhuǎn)向系的研究[J]. 機械設(shè)計與制造工程，2016(12)：13～16

6 鐘佩思，劉梅. 基于虛擬樣機的復雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計算機應用研究，2006(7)：44～47

7 臧希恒，唐碩，閆曉東. 亞軌道飛行器返回段動力學虛擬樣機設(shè)計[J]. 計算機輔助工程，2008(4)：18～23

Installation Design and Simulation of Safety Self-destruction Device Based on Virtual Prototype

Leng Yue1Feng Shaowei1Zhou Xin1Zhao Ting1Zheng Zhenglu2

(1. Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to improve the overall design quality of the carrier rocket structure, find design defects in advance, reduce design cycle and cost, the Creo 2.0 software is used to establish the safe self-destruction device virtual prototyping system. The Abaqus 6.11 Standard software is used to analyze the strength and stiffness of the installation structure and the CATIA software is ergonomically simulated for the installation and unlocking process. The simulation analysis shows that the stiffness and strength of the safety self-destruction device installation structure meet the requirements and the safety self-destruction device assembly overall layout and installation structure design is reasonable which provides the technical foundation for the application of virtual prototyping technology in the design and simulation of the installation of the rocket.

virtual prototyping；safe self-destruction device；finite element simulation；ergonomics

冷月（1987），碩士，運載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計專業(yè)；研究方向：運載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。

2017-06-29