爆炸螺栓分離對熱防護(hù)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析

陳炎，金偉，王用巖，黃虎

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091）

在航天器上，經(jīng)常會使用大量火工裝置來完成一 些特定功能，如部段分離、設(shè)備驅(qū)動等。這些火工品裝置的動作會在航天器結(jié)構(gòu)上導(dǎo)致強(qiáng)烈的高頻沖擊環(huán)境，對航天器上的儀器設(shè)備產(chǎn)生不利影響，特別是對電子產(chǎn)品、輕薄結(jié)構(gòu)、脆性材料的破壞尤為明顯[1]。

對于完成任務(wù)后需返回地面的一類航天器來說，為了在返回大氣層階段能抵御高溫?zé)g的嚴(yán)酷環(huán)境，在飛行器表面會安裝隔熱瓦、隔熱氈或其他耐高溫材料，統(tǒng)稱為熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）。隔熱瓦材料往往具有脆性的特質(zhì)，承受高頻沖擊的能力不如金屬材料，因此在設(shè)計(jì)這一類航天器的火工裝置時應(yīng)當(dāng)尤為注意。

航天器結(jié)構(gòu)及設(shè)備是否能夠承受火工產(chǎn)品爆炸沖擊環(huán)境，目前多采用各種試驗(yàn)的方法來評估，文獻(xiàn)[2]總結(jié)了各種試驗(yàn)方法，并總結(jié)了各種方法的適用范圍和效果?；鸸て繁ǖ臄?shù)值模擬，多基于LSDYNA3D軟件，采用 ALE算法。陳敏[3]等基于LS-DYNA3D軟件，采用 ALE算法，很好地模擬了宇航線式火工分離裝置爆炸分離時流體與固體相互耦合問題，并預(yù)測了材料在爆轟波沖擊下的非線性動態(tài)響應(yīng)，但并未得到試驗(yàn)驗(yàn)證。杜龍飛[4]等同樣基于LS-DYNA3D軟件，采用 ALE算法，對爆炸螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)建模，通過仿真選取了合適的藥劑，計(jì)算得到的螺栓分離速度與試驗(yàn)基本吻合。趙欣[5]等基于LS-DYNA的Hydrocodes提出了“振源系統(tǒng)-近場結(jié)構(gòu)”一體化建模分析方法，研究了火工品對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的直接加載和解耦加載的結(jié)果對比，與文中方法類似，但同樣缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

文中基于MSC. Dytran軟件，建立了爆炸螺栓分離過程對航天器熱防護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)評估的一整套仿真方案流程，并解決了計(jì)算中的幾個難點(diǎn)：首先，采用流固耦合中的“一般耦合”方法對爆炸螺栓的分離過程進(jìn)行了仿真，并利用“快速耦合”大大提高了計(jì)算效率；其次，在爆炸螺栓中炸藥量和參數(shù)未知的條件下，通過對已有試驗(yàn)的仿真，調(diào)試出具有實(shí)測意義的爆炸螺栓分離仿真模型，并應(yīng)用于真實(shí)結(jié)構(gòu)；最后，在對試驗(yàn)的仿真過程中，探索了零件之間不同連接方式對結(jié)果的影響，并選擇了計(jì)算效率高的共節(jié)點(diǎn)方式。

1 數(shù)值仿真方案

為了評估爆炸螺栓分離對熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，提出的數(shù)值仿真方案如圖1所示。整個數(shù)值仿真分四個階段進(jìn)行：完成爆炸螺栓分離仿真；完成對收納裝置原理試驗(yàn)的數(shù)值仿真；調(diào)整炸藥量和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的匹配；將具有實(shí)測意義的仿真方案應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)。

2 爆炸螺栓分離仿真

爆炸螺栓分離仿真的有限元模型分為拉格朗日模型和歐拉模型兩部分，拉格朗日模型用于模擬爆炸螺栓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，歐拉模型用于模擬炸藥、空氣等歐拉體。爆炸螺栓分為螺栓頭和螺桿兩部分，有限元模型如圖2所示，剖面圖如圖3所示。螺桿為拉格朗日體元，設(shè)置為剛體。螺栓頭為一個內(nèi)部變截面的圓柱形空腔，螺栓頭外壁為拉格朗日體元，設(shè)置材料為鋼材。

螺栓頭內(nèi)的空腔分為兩部分，左半部分內(nèi)壁有共節(jié)點(diǎn)殼元，形成封閉耦合面。其中耦合面部分為剛形體殼元，與螺栓頭壁共節(jié)點(diǎn)，耦合面右端一排單元為啞元，與螺栓頭壁和活塞推桿共節(jié)點(diǎn)。啞元沒有物理屬性，可以無限變形，僅用于形成封閉耦合面之用。之所以要設(shè)置啞元，是由于在使用一般耦合方法時，需要在拉格朗日模型上定義耦合面，作為歐拉網(wǎng)格和拉格朗日網(wǎng)格之間相互作用力的傳遞者，并且耦合面應(yīng)當(dāng)是封閉的[6]。文中啞元屬性為不透氣，封閉耦合面內(nèi)置圓柱體炸藥（歐拉網(wǎng)格）。

文中之所以嘗試流固耦合中的一般耦合方法，而非應(yīng)用較多的ALE（任意拉格朗日-歐拉耦合）方法，其原因在于：首先，ALE方法要求拉格朗日與歐拉網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)，建模上工作量更大；其次，一般耦合方法中，當(dāng)歐拉網(wǎng)格與基本坐標(biāo)系軸平行時，可打開快速耦合開關(guān)，大大提高計(jì)算效率。

螺栓頭右半部分內(nèi)有圓柱體活塞推桿，設(shè)置為拉格朗日體元、剛體。活塞推桿左側(cè)與啞元共節(jié)點(diǎn)，右側(cè)與螺桿設(shè)置接觸，圓柱面與螺栓頭外壁設(shè)置接觸?；钊c螺桿均約束了剛體的TY、TZ、RY、RY方向的自由度。

螺栓頭底部與螺桿之間有一圈失效單元，失效單元為拉格朗日體元，并設(shè)置破壞參數(shù)。分離過程：炸藥爆炸后，氣體膨脹，推動活塞推桿向右運(yùn)動；由于活塞與螺桿之間設(shè)有接觸，故活塞推動螺桿向右運(yùn)動，失效單元由于達(dá)到其失效最大應(yīng)變而產(chǎn)生破壞，從而螺桿脫離螺栓頭向右飛出。分離過程如圖4所示。

3 原理試驗(yàn)仿真及參數(shù)調(diào)節(jié)

爆炸螺栓減振收納裝置原理試驗(yàn)將單個爆炸螺栓安裝與安裝板上，通過加速度傳感器測量了安裝板上的加速度響應(yīng)。爆炸螺栓與安裝板有限元模型如圖5所示。安裝板采用拉格朗日體元，材料定義采用DMATEL卡片（線彈性），采用鋼材的材料參數(shù)。

位于安裝板凸臺正下方的加速度傳感器，測得加速度響應(yīng)峰值為1.4×108mm/s2，螺栓的螺桿末速度為46.6 m/s。

在未進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)前，對螺栓頭和安裝板凸臺之間的連接方式進(jìn)行了探索，共嘗試了三種不同的建模方式：共節(jié)點(diǎn)、設(shè)置接觸、剛性連接。

共節(jié)點(diǎn)和剛性連接獲得的螺桿末速度基本相同，設(shè)置接觸獲得的螺桿末速度偏高。共節(jié)點(diǎn)和設(shè)置接觸的最大加速度響應(yīng)峰值基本相同，但共節(jié)點(diǎn)響應(yīng)比較穩(wěn)定，設(shè)置接觸的響應(yīng)由小變大，且經(jīng)常出現(xiàn)跳躍性峰值。剛性連接的加速度響應(yīng)比前兩者大，如圖6所示。綜合考慮，由于共節(jié)點(diǎn)方式所耗計(jì)算時間最短，故選擇共節(jié)點(diǎn)方式建模。

通過對炸藥的尺寸、內(nèi)能、JWL方程參數(shù)的調(diào)整，獲得與試驗(yàn)結(jié)果基本一致的參數(shù)。參數(shù)調(diào)整后螺桿的速度曲線如圖7所示，可見螺桿末速度為44.47 m/s，與目標(biāo)46.6 m/s誤差為?4.58%。參數(shù)調(diào)整后的加速度響應(yīng)曲線如圖 8所示，最大加速度響應(yīng)峰值為1.46×108m/s2，與目標(biāo)值 1.40×108m/s2相比誤差為4.62%。

4 獲取機(jī)體結(jié)構(gòu)響應(yīng)

分析機(jī)體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系后，對局部機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行體元建模。將調(diào)試好參數(shù)的爆炸螺栓安裝于機(jī)體結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行爆炸分離計(jì)算，并提取隔熱瓦接觸面節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)。與隔熱瓦直接接觸部分和通過應(yīng)變隔離墊連接的結(jié)構(gòu)的最大加速度響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖9a可見，與隔熱瓦直接接觸部分結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)峰值為1.60×108mm/s2，換算成過載為16 310g；由圖9b可見，與隔熱瓦通過應(yīng)變隔離墊連接的結(jié)構(gòu)，最大加速度響應(yīng)峰值為 3.89×108mm/s2，換算成過載為39 653g。

5 結(jié)語

文中基于MSC. Dytran軟件，采用四個階段仿真的方案，對航天飛行器中熱防護(hù)系統(tǒng)隔熱瓦的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。首先，采用流固耦合中的一般耦合方法，并打開快速耦合開關(guān)，對爆炸螺栓分離過程進(jìn)行了仿真；其次，對單個爆炸螺栓的地面分離原理試驗(yàn)進(jìn)行了仿真；然后參照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)參，獲得具有實(shí)測意義的爆炸螺栓仿真模型；最后將調(diào)參后的爆炸螺栓仿真模型應(yīng)用于真實(shí)結(jié)構(gòu)，提取了結(jié)構(gòu)中隔熱瓦在爆炸螺栓分離過程中所承受的最大過載響應(yīng)，用于指導(dǎo)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)承載能力還有待試驗(yàn)驗(yàn)證。文中提供的方法思路為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核提供參考依據(jù)。