采用包帶式星箭鎖緊連接裝置的對接框剛度匹配性研究

王桂嬌，王 斌，劉觀日，張登宇，黃 蔚

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

包帶式星箭鎖緊連接是運載火箭和有效載荷常用的一種連接方式，其通過包帶式星箭鎖緊裝置（簡稱星箭鎖緊裝置）實現(xiàn)運載火箭和衛(wèi)星等有效載荷對接框的鎖緊和解鎖功能。星箭鎖緊裝置主要由包帶、卡塊、拉簧和爆炸螺栓等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對接框由衛(wèi)星框和火箭框兩部分組成（衛(wèi)星框在下文簡稱上框，火箭框在下文簡稱下框）。鎖緊時，星箭鎖緊裝置通過爆炸螺栓提供預(yù)緊力，卡塊在預(yù)緊力作用下夾緊對接框，實現(xiàn)有效載荷與運載火箭的可靠連接，同時對接框作為儲能結(jié)構(gòu)通過變形儲存一部分變形能；解鎖時，爆炸螺栓分離，預(yù)緊力釋放，對接框作為主要儲能結(jié)構(gòu)將儲存的變形能釋放，為星箭鎖緊裝置分離提供初始動能。因此，對接框剛度直接決定了星箭鎖緊裝置分離動能的大小，合理匹配對接框剛度是提升星箭連接和解鎖可靠性的關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對星箭鎖緊裝置的建模方法[1,2]、極限承載能力和軸向連接剛度等開展了一系列研究[3]，并取得一定成果[4～9]，但是關(guān)于對接框剛度匹配性的研究文獻較少，對星箭鎖緊裝置的力學(xué)行為還缺乏足夠的認(rèn)識[10～14]，在以往的地面試驗中就曾發(fā)生過因?qū)涌騽偠炔町愡^大導(dǎo)致的分離故障。

圖1 星箭鎖緊裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Clamp Band Systems Configuration

為提高星箭連接和分離的可靠性，本文采用有限元分析和試驗驗證相結(jié)合的方法，重點研究了對接框剛度匹配特性的影響規(guī)律，以及解鎖過程中對分離裕度的影響，并對星箭對接框提出合理的剛度匹配性要求。

1 對接框變形能參數(shù)影響分析

變形能是結(jié)構(gòu)整體剛度及受力狀態(tài)的宏觀表征，僅與結(jié)構(gòu)宏觀布局、尺寸、材料性能、外載荷的大小及方向有關(guān)。故本文將變形能作為評估對接框剛度匹配特性的重要指標(biāo)之一。

根據(jù)能量守恒定律，結(jié)構(gòu)在發(fā)生彈性變形時外力做的功會轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的變形能，包帶施加預(yù)緊力后，對接框儲存的變形能為

式中εv為變形能密度；V為對接框的體積；W外為外力做的功。

文獻[9]將包帶組件假設(shè)為剛體，并假設(shè)外力功全轉(zhuǎn)化為對接框的變形能，用單自由度“彈簧-質(zhì)量”模型，給出了施加預(yù)緊力后，對接框儲存的變形能及徑向初始變形公式：

式中 E為彈性模量；R為對接框等效半徑；T為包帶施加的預(yù)緊力；A為對接框橫截面等效面積；r為施加預(yù)緊力后對接框的徑向變形量。

通過式（2）可以看出對接框的變形能與對接框徑向變形量的平方成正比；由式（3）可知對接框的徑向變形量與包帶預(yù)緊力、對接框等效半徑成正比，與對接框橫截面積成反比，即預(yù)緊力不變的情況下，對接框的徑向變形量越大，結(jié)構(gòu)儲存的變形能越大。

式（1）～（3）將包帶組件假設(shè)為剛體，無法反映包帶組件發(fā)生彈性變形后載荷的重新分配和對結(jié)構(gòu)變形情況的影響。下文將通過有限元仿真，建立包帶組件和對接框的真實彈塑性模型，通過有限元分析和試驗驗證相結(jié)合的方法研究對接框剛度匹配特性的影響規(guī)律。

2 有限元仿真

2.1 有限元建模

本文采用有限元軟件ABAQUS進行有限元仿真。為提高計算效率，進行適當(dāng)簡化建模，其中非線性拉簧采用Connector單元建模，并定義非線性剛度，通過施加Connector force的方式施加彈簧預(yù)緊力。建模時未考慮衛(wèi)星質(zhì)量的影響，有限元模型示意如圖2所示，模型包括星箭對接框、包帶、卡塊、柱軸、爆炸螺栓、墊片和卡塊連接件等。模型中所有零部件均采用六面體非協(xié)調(diào)單元建模，為提高計算精度，對卡塊與對接框的接觸部分建立了局部精細(xì)化模型，如圖3所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Clamp Band Systems

圖3 局部精細(xì)化模型Fig.3 Local Refined Model

為研究不同剛度匹配對接框在鎖緊過程中對其徑向變形、徑向錯動量（上、下框徑向變形量差值）、變形能的影響規(guī)律，本文建立了兩種對比模型：剛度匹配的標(biāo)準(zhǔn)機械接口模型（下文簡稱無梁）、對接框上框局部剛度突變模型（下文簡稱有梁），模型示意如圖4所示。

圖4 不同剛度匹配模型Fig.4 Different Stiffness Matching Model

2.2 載荷位移邊界條件

對接框剛度匹配性對其徑向變形、徑向錯動量及變形能的影響主要發(fā)生在星箭鎖緊階段，所以進行對接框剛度匹配對其變形的影響規(guī)律分析時，僅對包帶的預(yù)緊過程進行分析，采用在爆炸螺栓截面處進行準(zhǔn)靜態(tài)加載螺栓力的方式模擬包帶預(yù)緊力的施加過程。

研究對接框剛度匹配特性對星箭分離裕度的影響時，采用“準(zhǔn)靜態(tài)+顯式非線性動力學(xué)”相結(jié)合的方法分別模擬包帶的預(yù)緊力施加和釋放過程。

位移邊界條件為固支運載火箭有效載荷支架的下端框。

星箭鎖緊裝置屬機構(gòu)類連接結(jié)構(gòu)工作時，通過各組件間接觸和摩擦傳遞載荷。為真實模擬各組件間傳力及變形，本文考慮了對接框與星箭鎖緊裝置各組件的材料非線性和接觸非線性，包括卡塊與對接框之間、包帶與卡塊之間、包帶與卡塊連接件之間、對接框?qū)用嬷g的接觸和摩擦，接觸對定義如圖5所示。

圖5 接觸對定義Fig.5 Definition of Contact

2.3 有限元分析結(jié)果

圖6 為包帶預(yù)緊力下，上、下對接框徑向變形量的極坐標(biāo)曲線，從圖6中可看出，有梁模型上、下框在梁支撐位置處徑向變形量同時減小。

圖6 徑向變形量Fig.6 Radial Displacement Curve

圖7 為上、下對接框徑向錯動量的極坐標(biāo)曲線，圖中直線為梁的位置，相比無梁模型，有梁模型上、下框在梁支撐處的徑向錯動量增大。

圖7 徑向錯動量Fig.7 Relative Displacement Curve

圖8 為兩種模型的對接框變形能對比曲線，上框局部剛度突變后，對接面的整體剛度變大，在預(yù)緊力施加過程中對接框儲存的變形能偏低，有梁模型上框儲存的總變形能比無梁模型低6.3%，有梁模型下框儲存的總變形能比無梁模型低2.5%。

圖8 變形能對比曲線Fig.8 Contrast Curve of Stain Energy

從上、下對接框單位角度變形能分布規(guī)律看（見圖9、圖10），靠近柱軸位置對接框單位角度變形能最大，隨著與柱軸距離的不斷增大，單位角度變形能逐步減小。上框發(fā)生局部剛度突變后，梁附近對接框單位角度變形能降幅最大，對接框上框在該處的單位角度變形能下降量尤為明顯，在梁附近降低幅度最大達16%，下框在該位置降低幅度達7%。

圖9 上框單位角度變形能分布Fig.9 Contrast Curve of Stain Energy

圖10 下框單位角度變形能分布Fig.10 Contrast Curve of Stain Energy

解鎖過程中，對接框輸出的總動能及摩擦耗散對比如圖11所示，有梁模型的總動能較無梁模型低40%，摩擦耗散能較無梁模型高20%。圖12為兩種模型的卡塊分離速度對比曲線，有梁模型卡塊分離速度較無梁模型小近30%。

圖11 能量對比曲線Fig.11 Contrast Curve of Energy

圖12 卡塊分離速度對比曲線Fig.12 Contrast Curve of Separation Speed

從圖11、圖12可以看出：對接框剛度差異過大，會導(dǎo)致星箭鎖緊裝置鎖緊時，對接框徑向錯動量增大，同時儲存的變形能降低；在解鎖時，系統(tǒng)的摩擦耗散能增加，輸出的總動能減少，最終導(dǎo)致分離裕度降低。

3 試驗驗證

對接框的匹配特性如圖13所示，為驗證對接框的剛度匹配特性，本文以某型星箭接口為基礎(chǔ)，設(shè)計了如圖 13a所示的靜力試驗，在對接框上框內(nèi)增加支撐梁結(jié)構(gòu)，在包帶兩端同步施加包帶預(yù)緊力。試驗過程中對上、下對接框的徑向位移進行實時監(jiān)測，監(jiān)測點位置分布如圖13b所示，上框測點為1、3、5、7，下框測點為2、4、6、8。

圖13 測點分布Fig.13 Distribution of Measuring Point

試驗測得對接框的徑向位移曲線如圖 14所示，“+”表示框向內(nèi)收縮，“-”表示框向外膨脹。4處測點位置的上、下框徑向錯動量如圖15所示。

圖14 徑向位移曲線Fig.14 Radial Displacement Curve

圖15 徑向錯動量Fig.15 Relative Displacement

由圖14、圖15看出，無梁位置的徑向變形要大于有梁位置；梁附近（位置2和位置4）上、下框徑向相對變形明顯大于遠(yuǎn)離梁處（位置1和位置3）。與有限元分析得到的結(jié)論一致，即對接框剛度突變會導(dǎo)致對接框徑向變形量減小，徑向錯動量增加，從而降低對接框儲存的變形能并增加摩擦耗散，進而影響分離欲度。

對比仿真分析數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)的對稱性雖稍差，但能反映出對接框剛度匹配特性的影響規(guī)律。

分析仿真分析數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)差異的主要原因是由于有限元分析模型為理論模型，各部件均為理想尺寸，載荷加載速度和加載的同步性可控；而試驗時結(jié)構(gòu)的尺寸偏差、安裝偏差和加載、測量等因素均會對試驗數(shù)據(jù)造成一定的影響。

4 結(jié) 論

通過有限元仿真和試驗驗證，可得以下結(jié)論：

a）對接框的剛度匹配特性是影響星箭鎖緊裝置各組件受力及變形模式的關(guān)鍵因素，變形能只與結(jié)構(gòu)的剛度及受力狀態(tài)有關(guān)，因此，采用變形能評估對接框的剛度匹配特性合理；

b）對接框儲存的變形能與其徑向變形量有關(guān)，對接框局部剛度突變會影響其鎖緊過程中的徑向變形和相對錯動量，進而增加解鎖過程中的摩擦耗散，降低分離裕度；

c）目前主要運載火箭的用戶手冊中，均規(guī)定了不同接口下對接框的剛度及形狀要求，因此，為實現(xiàn)星箭連接和解鎖的可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計師在進行對接框設(shè)計時，可參考相關(guān)火箭用戶手冊中的剛度指標(biāo)體系，并保證星箭對接區(qū)剛度均勻，避免出現(xiàn)剛度突變的情況；

d）經(jīng)試驗驗證，本文所用的有限元分析方法和評價指標(biāo)，可用于對對接框剛度匹配性進行提前預(yù)示，并指導(dǎo)火箭相鄰對接框的結(jié)構(gòu)設(shè)計。