爆炸螺栓分離動力學仿真分析研究

王宗偉，吳宏偉，楊 康，董威利，常志鵬

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爆炸螺栓分離動力學仿真分析研究

王宗偉，吳宏偉，楊 康，董威利，常志鵬

（空間物理重點實驗室，北京，100076）

為了避免爆炸螺栓分離解鎖后引發(fā)高速沖擊破壞及爆炸螺栓可能沿對接孔回彈的問題，在爆炸螺栓盒內設計擋片、彈簧片、緩沖塊結構來降低爆炸螺栓盒受到的沖擊，同時彈簧片上的耳片結構在爆炸螺栓回彈時對其卡滯防止爆炸螺栓突出分離面。采用ABAQUS顯示動力學軟件對爆炸螺栓通過彈簧片、最后撞擊到緩沖塊的過程進行動力學仿真分析，定量分析了擋片、彈簧片對爆炸螺栓沖擊速度的影響，對沖擊載荷下爆炸螺栓盒體強度進行評估，并開展爆炸螺栓收納試驗驗證。結果表明：所設計的爆炸螺栓盒能夠實現(xiàn)對爆炸螺栓的有效收納，其盒體結構強度能夠滿足沖擊載荷下的使用要求。

爆炸螺栓；分離沖擊；彈簧片；動力學仿真；收納試驗

0 引 言

分離裝置作為飛行器的關鍵部件，是否正常工作直接影響到飛行任務能否順利完成。目前常用的連接分離裝置動力源以火工品為主，如爆炸螺栓、爆炸螺母、各類火工鎖及火工分離推桿等火工分離裝置[1]，其中高沖擊爆炸螺栓在航天彈箭體結構分離方面的應用最為廣泛[2~7]。吳艷紅等[8]采用非線性有限元軟件LS-DYNA，模擬剪切式爆炸螺栓中炸藥爆炸及爆炸沖擊波對爆炸螺栓盒的破壞作用，校核盒蓋的動強度；柳征勇等[9]利用工程熱力學理論計算了運載火箭整流罩分離用爆炸螺栓的沖擊力，同時運用動力學響應分析的直接積分法和NASTRAN有限元程序對整流罩在16只爆炸螺栓起爆分離下引起的彈射筒鎖緊銷動載荷進行了仿真分析；王軍評等[10]以典型爆炸螺栓連接結構為對象，分別建立了爆炸過程、應變能釋放過程、撞擊過程的數(shù)值計算模型，對分離過程中3種不同物理過程及其誘發(fā)響應的機制進行了分析，討論了不同階段不同區(qū)域內的結構響應特征；曹乃亮等[11]為模擬空間火工分離保護裝置沖擊載荷下的動力學特性，將保護裝置分別采用2A12、TC4、蜂窩夾層材料，建立了3種材料的多線性本構模型，并采用顯式動力學理論分析其沖擊響應特性。

在爆炸螺栓分離解鎖過程中會產生活動產物，因此必須對活動產物加以可靠約束，否則活動產物會形成隨機運動對分離體產生不良影響或破壞，如活動產物突出分離面可能會造成分離干涉影響正常分離，甚至導致飛行失敗[4]。因此，在航天彈箭體中通常設計有爆炸螺栓盒結構對分離后的爆炸螺栓進行收納保證分離可靠性，避免爆炸螺栓對彈箭體結構造成破壞。因此，爆炸螺栓盒結構設計成為分離方案設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)。但在設計過程中普遍依賴反復試驗對爆炸螺栓盒方案進行摸索，對爆炸螺栓盒工作過程的理論分析較少。

本文利用動力學仿真方法并結合理論計算對爆炸螺栓收納的過程進行系統(tǒng)的計算分析，并開展爆炸螺栓收納試驗對設計方案及仿真分析結果進行驗證。

1 結構模型

針對爆炸螺栓分離解鎖后可能產生高速沖擊破壞及爆炸螺栓沿對接孔回彈的問題，在爆炸螺栓盒內設計擋片、彈簧片、緩沖塊結構，通過擋片、彈簧片、緩沖塊三重緩沖作用有效降低對爆炸螺栓盒體結構的高速沖擊，避免沖擊載荷給爆炸螺栓盒殼體造成破壞。彈簧片上的耳片結構，一方面通過撞擊和摩擦降低爆炸螺栓的運動速度；另一方面爆炸螺栓回彈時耳片可對其卡滯，避免爆炸螺栓沿對接孔回彈突出分離面導致分離干涉風險。爆炸螺栓盒結構示意如圖1所示。

圖1 爆炸螺栓盒結構示意

爆炸螺栓盒的工作原理為：爆炸螺栓分離解鎖后與螺母在高量級沖擊作用下一同向爆炸螺栓盒內正向運動，依次通過擋片、彈簧片的阻礙，經過緩沖塊的緩沖作用后爆炸螺栓與螺母的動能迅速下降，當緩沖塊被壓縮到極限后爆炸螺栓與螺母產生回彈，當運動至彈簧片時被彈簧片上的兩個耳片卡滯，最終停留在爆炸螺栓盒內，從而實現(xiàn)對爆炸螺栓的可靠收納。其中，擋片用于爆炸螺栓分離解鎖前固定爆炸螺栓及螺母，擋片通過2顆M3的螺釘固定在爆炸螺栓盒盒體結構上，分離解鎖后在爆炸螺栓與螺母的沖擊作用下固定擋片的2顆M3的螺釘被剪切斷。

2 動力學仿真分析

爆炸螺栓盒工作中涉及的運動過程較為復雜，通過工程算法難以對整個運動過程的參數(shù)進行準確計算。因此，本文利用動力學仿真方法并結合理論計算對爆炸螺栓收納過程進行系統(tǒng)的分析。對爆炸螺栓運動過程分析主要集中在兩方面：a）最大分離沖量下爆炸螺栓盒結構強度能否滿足要求；b）最小分離沖量下爆炸螺栓能否正向通過彈簧片而不被卡滯，在最大、最小分離沖量下均能實現(xiàn)可靠收納。

2.1 沖擊載荷分析

爆炸螺栓正常工作過程中分離沖量B最大值為18.5 N·s（即分離后的爆炸螺栓單獨運動的沖量），最小值為8.5 N·s。由于爆炸螺栓分離解鎖后與螺母一同正向運動，為了得到爆炸螺栓和螺母的初始動能0，認為爆炸螺栓與螺母二者獲得的總動能與爆炸螺栓單獨獲得的動能相等，即：

結合動量定理，即：

2.2 擋片作用分析

連接螺釘?shù)牟牧蠟?5號鋼，其拉伸屈服強度為315 MPa，對應的剪切強度為315×0.577=182 MPa，則按偏保守假設計算，剪斷一顆螺釘所消耗的能量為

式中 為兩段螺釘分離距離；為圖2中陰影面積（即上下兩段螺釘重疊面積）；r為螺釘半徑。

按式（4）可得，當分離沖量為最大值18.5 N·s時，爆炸螺栓和螺母的剩余動能為605.7 J，爆炸螺栓和螺母的速度降低到51.88 m/s，與初速度52 m/s相比降低了0.2%。剪切擋片連接螺釘對爆炸螺栓的運動速度影響很小，可以忽略。因此，下面的動力學仿真計算忽略擋片的影響，僅對爆炸螺栓通過彈簧片、撞擊緩沖塊進行分析。

2.3 彈簧片作用分析

彈簧片在爆炸螺栓分離解鎖后正向運動時對其造成阻礙，給爆炸螺栓的動能帶來一定損失。彈簧片結構尺寸的設計應該保證爆炸螺栓及螺母順利通過彈簧片后能夠繼續(xù)向螺栓盒內正向運動。彈簧片的材料選擇為彈簧鋼，其材料性能如表1所示。

表1 彈簧片材料性能

Tab.1 Material Property of Flake Spring

彈性模量/GPa泊松比屈服極限/MPa切線模量/GPa 2060.33137.54

忽略擋片對爆炸螺栓運動速度的影響，以2.1節(jié)計算出的爆炸螺栓和螺母的初始動能0作為計算的初始條件，利用ABAQUS軟件對爆炸螺栓及螺母撞擊彈簧片的過程進行數(shù)值仿真分析。在最小分離沖量8.5 N·s的工況下，彈簧片能夠吸收部分爆炸螺栓的動能，使爆炸螺栓和螺母的速度有所降低，但爆炸螺栓和螺母能夠順利通過彈簧片，不會對爆炸螺栓和螺母的正向運動造成卡滯，爆炸螺栓和螺母通過彈簧片后的速度下降到21.1 m/s，此時爆炸螺栓及螺母的運動情況及速度曲線如圖3所示。在最大分離沖量18.5 N·s的工況下，爆炸螺栓和螺母撞擊彈簧片后速度降至50.1 m/s。

圖3 分離沖量8.5N·s時爆炸螺栓撞擊彈簧片的速度

2.4 爆炸螺栓盒體受力分析

爆炸螺栓分離沖擊載荷較大，為了避免爆炸螺栓盒盒體結構被破壞，在爆炸螺栓盒內設計有緩沖塊，當爆炸螺栓及螺母通過彈簧片后會撞擊在緩沖塊上。緩沖塊受到撞擊后發(fā)生塑性變形吸收掉爆炸螺栓及螺母的大部分動能。經過緩沖塊的緩沖后，爆炸螺栓的沖擊載荷傳遞給爆炸螺栓盒盒體，采用ABAQUS軟件對最大分離沖量18.5 N·s條件下的爆炸螺栓盒盒體受力情況進行計算分析，具體結果如圖4、圖5所示。

圖4 A位置應力

圖5 B位置應力

爆炸螺栓盒盒體的材料為鋁合金，其材料性能如表2所示。緩沖塊材料為聚四氟乙烯，其材料性能如表3所示。

表2 盒體材料力學屬性

Tab.2 Material Property of Explosive Bolt Box

材料彈性模量/GPa泊松比強度極限/MPa屈服極限/MPa 鋁合金700.3290240

表3 緩沖塊材料力學屬性

Tab.3 Material Property of Bumper Block

材料彈性模量/GPa泊松比壓縮強度/MPa 聚四氟乙烯80.90.312.6

計算結果顯示，殼體結構上存在2處高應力區(qū)域，分別為爆炸螺栓盒底部A位置（應力云圖如圖4a所示）、爆炸螺栓盒側壁與盒底部交接處B位置（應力云圖如圖5a所示）。

圖4b給出了A位置撞擊時的應力-時間曲線，圖5b給出了B位置撞擊時的應力-時間曲線。根據應力-時間曲線可知，A、B位置2個區(qū)域在0.1 ms、0.2 ms時，應力均達到各自峰值。其中，A位置在0.1 ms時局部最大應力為187 MPa，B位置在0.2 ms時局部最大應力為183 MPa，均小于盒體材料的強度極限，爆炸螺栓盒盒體強度滿足沖擊載荷下的使用要求，不會發(fā)生破壞。

3 試驗驗證

在動力學仿真分析的基礎上，開展爆炸螺栓收納試驗對爆炸螺栓盒收納的有效性以及爆炸螺栓盒盒體結構強度能否滿足要求進行了考核，同時對動力學仿真分析結果進行驗證。試驗中采用氣炮沖擊加載的方法來模擬爆炸螺栓分離沖量，將分離沖量加載到爆炸螺栓螺桿上，爆炸螺栓盒試驗件通過螺栓連接固定在工裝上，試驗具體加載方法如圖6所示。

圖6 試驗加載方法示意

試驗過程中根據爆炸螺栓工作情況，在最小分離沖量8.5 N·s到最大分離沖量18.5 N·s間選取5種典型工況開展試驗驗證工作，5種典型工況涵蓋了最小分離沖量8.5 N·s和最大分離沖量18.5 N·s。在所有工況的試驗中，爆炸螺栓盒均實現(xiàn)對爆炸螺栓的可靠收納。爆炸螺栓最終停滯在爆炸螺栓盒內，爆炸螺栓回彈時能夠被彈簧片上的耳片結構所卡滯，從而避免爆炸螺栓突出分離面的可能。試驗過程中5種典型工況的收納結果基本一致，爆炸螺栓收納情況如圖7所示。爆炸螺栓真實產品經可靠性試驗驗證其分離沖量不會超出8.5~18.5 N·s的范圍，本次試驗工況能夠覆蓋真實產品的分離沖量，該爆炸螺栓盒能夠實現(xiàn)對爆炸螺栓的可靠收納同時保證盒體結構不發(fā)生破壞。

圖7 收納試驗結果

圖8 A位置應力測量結果

將最大分離沖量18.5 N·s工況下的仿真結果（見圖4）和試驗測量結果（見圖8）進行對比，爆炸螺栓盒底部（A位置）的最大應力基本一致，偏差很小，而二者的應力隨時間變化曲線有所區(qū)別。為了更清晰地顯示爆炸螺栓撞擊盒體后的應力響應，圖4中僅顯示了爆炸螺栓撞擊到緩沖塊及盒體前后0.5 ms的應力響應，A位置應力分別在0.1 ms、0.2 ms和0.3 ms處出現(xiàn)峰值。在試驗測量結果圖8中對爆炸螺栓從分離開始到撞擊緩沖塊后靜止的15 ms內的應力情況進行測量，由于采集設備、數(shù)據濾波等因素的影響，未精確顯示出爆炸螺栓撞擊到緩沖塊及盒體前后0.5 ms的應力響應。但從仿真結果和試驗數(shù)據的對比來看，二者的最大應力值基本一致，且應力變化趨勢也基本吻合，不影響對仿真計算分析結果的驗證。

4 結 論

本文采用顯示動力學軟件并結合理論工程計算對爆炸螺栓通過擋片、彈簧片、最后撞擊到緩沖塊的全過程進行動力學仿真分析，定量分析了擋片、彈簧片對爆炸螺栓沖擊的影響，并對沖擊載荷下爆炸螺栓盒體強度進行評估，并通過爆炸螺栓收納試驗對設計方案及仿真分析結果進行驗證，結論如下：

a）爆炸螺栓盒中的擋片、彈簧片、緩沖塊結構有效降低了對爆炸螺栓盒體的高速沖擊，其中剪切斷擋片連接螺釘?shù)倪^程對爆炸螺栓運動速度影響很小，可以忽略；彈簧片結構能夠使爆炸螺栓的速度有所下降，同時在爆炸螺栓回彈時能夠對其卡滯而不突出分離面；在最小分離沖量8.5 N·s到最大分離沖量18.5 N·s之間，爆炸螺栓盒均能實現(xiàn)對爆炸螺栓的有效收納。

b）在最大分離沖量18.5 N·s工況下，爆炸螺栓盒體局部實測最大應力為189 MPa，低于盒體材料的強度極限，爆炸螺栓盒結構強度滿足沖擊載荷下的使用要求。

c）利用ABAQUS軟件動力學仿真并結合理論計算方法，能夠很好地實現(xiàn)對爆炸螺栓整個收納過程的計算分析，分析結果與實際試驗結果基本一致，該方法可以為后續(xù)工程設計提供參考。

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Research on the Dynamics Simulation of the Explosive Bolt Separation

Wang Zong-wei, Wu Hong-wei, Yang Kang, Dong Wei-li, Chang Zhi-peng

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076)

In order to avoid the damage brought by high speed shock and the interference brought by rebound of the explosive bolt after separating, a baffle, a flake spring and a bumper block are introduced into the explosive bolt box to depress the high speed shock. The flake spring uses two ears to baffle the explosive bolt so that it cannot protrude the separation interface. The total process of the explosive bolt passing through the flake spring and striking the cushion block is simulated dynamically with ABAQUS. The impact of the baffle and the flake spring on the shock speed of the explosive bolt is analyzed quantitatively. The strength of the box under the shocking load is evaluated. And the capture experiment is carried on. The results show that the explosive bolt box can capture the strong shocking explosive bolt in effectively, and the structure strength of the box can satisfy the needs under the shocking load.

Explosive bolt; Separation shock; Flake spring; Dynamics simulation; Capture experiment

1004-7182(2018)01-0111-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20180122

V421.7

A

2017-09-05；

2017-09-28

王宗偉（1985-），男，工程師，主要研究方向為飛行器動力系統(tǒng)設計