基于AMESim的火工作動裝置仿真方法研究

雷 豹，梁祖典，王宇銳，王曉鵬，程 蕾

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

火工裝置大量用于航天領(lǐng)域，其性能往往是決定航天器飛行成敗的關(guān)鍵因素?；鸸ぱb置按功能可分為解鎖裝置、作動裝置、切割裝置等?；鸸ぷ鲃友b置是一種驅(qū)動作用的活塞式裝置，用來操作開關(guān)、閥、保險/解除保險裝置和各種分離機構(gòu)。主要由活塞桿和活塞筒組成，其原理是火藥點火后產(chǎn)生高壓高溫氣體推動活塞，從而為終端機構(gòu)提供推力、位移、速度、沖量等。其產(chǎn)生的作用是：

1)推動一定質(zhì)量的物體，并將物體加速到規(guī)定速度；

2)產(chǎn)生推動力，驅(qū)動相連機構(gòu)克服負載完成直線或旋轉(zhuǎn)運動[1]。

火工作動裝置是實現(xiàn)機械動作的一種高效裝置，在與適當(dāng)?shù)臋C構(gòu)組合后可實現(xiàn)各種作動功能要求[2]?；鸸ぷ鲃友b置可作為各種運動機構(gòu)的動力源，如折疊翼/舵、堵蓋機構(gòu)、彈射裝置等。

火工作動裝置的整個工作過程是相當(dāng)復(fù)雜的，它包含了多種運動形式，各種運動形式都不是孤立的，而是相互依存又相互制約的。傳統(tǒng)的火工裝置研制一直沿用“設(shè)計-試驗-修改”的程序，而這種研制模式缺乏理論指導(dǎo)，火工裝置性能及可靠性特性只能通過大量試驗獲得，通過試錯法實現(xiàn)產(chǎn)品反復(fù)優(yōu)化[3]，導(dǎo)致研制周期長、成本高。

杜永剛等[4]、高濱[5]建立了火工作動裝置各容腔工作過程的數(shù)學(xué)模型，并進行了數(shù)值計算。吳建剛等[6]、水龍等[3]進一步開展了帶阻尼腔的火工作動裝置數(shù)值仿真方法研究。但由于高溫爆燃氣體的動力過程的復(fù)雜性，以及目前人們對動力腔內(nèi)的各種現(xiàn)象認識的局限性，在這種情況下所建立起來的動力方程組所反映出來的壓力曲線就只能具有近似性，只能定性地分析壓力變化規(guī)律。

本文基于AMESim建立了“火藥燃燒產(chǎn)氣-排氣-對外做功”的仿真模型，對火工裝置系統(tǒng)作用機理和運動過程進行全面的分析，并獲得裝藥量、限流孔徑及初始容積等因素對作動筒輸出推力的影響規(guī)律。同時設(shè)計了一系列試驗，獲得火工作動裝置的輸出性能，驗證并修正仿真模型，使仿真模型更為精確，可有效指導(dǎo)火工作動裝置快速設(shè)計迭代。

1 研究背景

某飛行器堵蓋機構(gòu)打開過程中既有較大的氣動阻礙力，又有一定的氣動促進力，針對拉伸彈簧機械式驅(qū)動方案無法克服大氣動負載的技術(shù)難題，堵蓋打開機構(gòu)采用火工作動筒驅(qū)動連桿機構(gòu)實現(xiàn)，機構(gòu)原理如圖1所示。堵蓋打開機構(gòu)由火工作動筒、連桿機構(gòu)和堵蓋蓋板組成?；鸸ぷ鲃油舶邏呵?、低壓腔，兩腔之間通過限流孔連通，高壓腔內(nèi)裝有藥盒。

圖1 堵蓋打開機構(gòu)示意圖Fig.1 Model of open mechanism of inlet port cover

火工作動筒工作原理為：接收到工作信號后，點火器發(fā)火，引爆高壓腔內(nèi)藥盒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，經(jīng)過限流孔后進入低壓腔，燃氣推動活塞桿剪斷剪切銷后做直線運動，對外做功。堵蓋打開機構(gòu)工作原理為：火工作動筒工作后，活塞桿驅(qū)動連桿機構(gòu)運動，連桿機構(gòu)驅(qū)動堵蓋蓋板打開，堵蓋蓋板上可作用外部負載。

2 火工作動裝置仿真分析方法

2.1 仿真環(huán)境

LMS Imagine Lab AMESim為多學(xué)科仿真分析軟件，采用基于物理模型的圖形化建模方式。本文采用AMESim建立“火藥燃燒產(chǎn)氣—排氣—對外做功”的仿真模型，同時包含火藥燃燒產(chǎn)氣過程、氣體膨脹作功過程和活塞桿機構(gòu)運動過程，實現(xiàn)火工作動裝置全物理過程的仿真。AMESim主要解決氣動物理模型的仿真求解，若火工作動裝置驅(qū)動復(fù)雜的負載運動，則負載機構(gòu)可在專業(yè)的機械動力學(xué)仿真軟件中建立，通過AMESim與LMS Virtual Lab Motion或Adams聯(lián)合仿真求解。

2.2 假設(shè)條件

對于氣體膨脹過程有以下假設(shè)：

1)過程是絕熱的、定常的；

2)流場是一維的；

3)產(chǎn)物是均勻的，并遵循理想氣體狀態(tài)方程[7]；

4)忽略產(chǎn)物內(nèi)部摩擦等不可逆過程，膨脹是等熵的[8]。

2.3 多參數(shù)優(yōu)化

火工作動筒參數(shù)優(yōu)化原則：

1)做功能量裕度一般不小于1.5；

2)推力曲線盡量均勻平緩；

3)打開時間在滿足設(shè)計要求的前提下盡量長；

4)在結(jié)構(gòu)強度滿足要求的前提下，裝藥量越高越好，以減小點火器單雙點的影響；

5)到位推力越大越好，可使作動筒到位后壓緊堵蓋；

6)為滿足點火器密封性能要求，高壓腔初始壓力不應(yīng)過高。

火工作動筒的關(guān)鍵輸出指標包括峰值推力、作動時間、到位推力、輸出沖量等，影響這些指標的因素包括裝藥量、高壓腔初始壓力、初始容積、低壓腔初始容積、限流孔徑、活塞筒內(nèi)徑、剪切銷剪斷力、負載質(zhì)量及負載力等，如圖2(a)所示。這種多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)給優(yōu)化帶來困難，如何通過這些參數(shù)的合理匹配，使作動筒輸出推力均勻平緩，且能滿足運動要求就成為火工作動裝置研制的關(guān)鍵。

本仿真方法基于AMESim多參數(shù)分析模塊，可快速高效地進行參數(shù)優(yōu)化以獲得理想的輸出特性，同時可獲得各輸出特性對影響因素的敏感度，從而有效指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化。圖2(b)為兩個參數(shù)(裝藥量、低壓腔初始容積)9種不同組合獲得的推力曲線對比，可分析得出裝藥量和低壓腔初始容積對推力曲線的影響規(guī)律。

(a)輸入和輸出

(b)仿真結(jié)果圖2 火工作動筒多參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of multi-parameter optimization of pyrotechnic actuated devices

2.4 火藥燃燒產(chǎn)氣模型

火藥燃燒產(chǎn)氣模型如圖3所示。本文創(chuàng)新性地采用流量輸入模擬火藥燃燒速率，通過試驗獲得的定容爆壓數(shù)據(jù)可逆向推導(dǎo)出流量參數(shù)，見式(1)～(4)，將黑火藥燃燒產(chǎn)物近似為理想氣體。將計算獲得的流量隨時間變化曲線輸入模型中，通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)，可使仿真輸出的容腔壓力曲線與試驗曲線相吻合。

圖3 火藥燃燒產(chǎn)氣模型Fig.3 Model of burning gunpowder producing gas

PV=nRT

(1)

PMV=mRT

(2)

(3)

(4)

式中，M為理想氣體摩爾質(zhì)量，m為火藥燃燒氣體產(chǎn)物的質(zhì)量。

2.5 火工作動筒平推質(zhì)量塊模型

火工作動筒平推質(zhì)量塊模型如圖4所示。建立“火藥燃燒產(chǎn)氣—高壓腔—限流孔—低壓腔—活塞缸—剪切銷—質(zhì)量塊”自內(nèi)向外的仿真模型，在各物理模型中輸入火工作動筒的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理輸入相關(guān)控制參數(shù)，一些經(jīng)驗參數(shù)如限流孔的流量系數(shù)，需根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)節(jié)修正。

圖4 作動筒平推質(zhì)量塊模型Fig.4 Model of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

假設(shè)不考慮黑火藥燃速受溫度和壓力的影響，即流量輸入為固定曲線。通過仿真，可獲得流量輸入下的高壓腔、低壓腔壓力曲線及活塞缸的推力曲線，以及質(zhì)量塊的運動特性曲線。同時，通過改變限流孔徑、高壓腔初始容積、低壓腔初始容積、流量輸入、剪切力、質(zhì)量塊質(zhì)量等，可進行多參數(shù)組合仿真優(yōu)化設(shè)計，獲得理想的作動筒輸出推力特性。

2.6 火工作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)模型

火工作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)模型如圖5所示。在AMESim的平面連桿模塊中創(chuàng)建堵蓋機構(gòu)桿系機構(gòu)模型，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置連桿的坐標位置及質(zhì)量和慣量參數(shù)。對于復(fù)雜的機構(gòu)，可在動力學(xué)仿真軟件中建立其模型，如AMESim與LMS Virtual Lab Motion聯(lián)合仿真，仿真界面如圖6所示。通過仿真可獲得負載機構(gòu)的運動特性，通過調(diào)節(jié)作動筒參數(shù)可使其輸出推力特性滿足負載機構(gòu)運動功能要求。

圖5 基于AMESim的火工作動裝置驅(qū)動堵蓋機構(gòu)模型Fig.5 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim

圖6 基于AMESim和Motion的火工作動裝置驅(qū)動堵蓋機構(gòu)模型Fig.6 Model of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover based on AMESim and Motion

3 試驗驗證

為研究火工作動裝置的輸出特性，設(shè)計3個層級的試驗：裝藥組件定容爆壓試驗、火工作動筒平推質(zhì)量塊試驗及火工作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)打開試驗，分別與前述3個仿真模型對應(yīng)。

3.1 裝藥組件定容爆壓試驗

用不同數(shù)量點火器，在高溫、低溫、常溫下分別進行試驗，將裝藥組件分別進行高溫雙點、常溫雙點及低溫單點試驗，以獲得裝藥組件的輸出爆壓的穩(wěn)定性，如圖7和圖8所示。獲得足夠的試驗子樣數(shù)據(jù)后，篩選出爆壓下限曲線，逆向推導(dǎo)出其流量曲線，從而作為AMESim的仿真輸入。

圖7 裝藥組件定容爆壓試驗照片F(xiàn)ig.7 Experiment photo of gunpowder blast pressure in fixed container

圖8 裝藥組件定容爆壓曲線Fig.8 Pressure curve of gunpowder blast in fixed container

3.2 作動筒平推質(zhì)量塊試驗

圖9為火工作動筒平推質(zhì)量塊試驗照片。試驗前，將作動筒安裝在支架上，支架位于導(dǎo)軌內(nèi)可沿軸向滑動。推力傳感器選用BLR-1M/1t，量程為10 000 N，采樣頻率≥25 kHz。沖擊傳感器量程50 000 g，采樣頻率≥25 kHz。試驗過程通過高速攝像機進行記錄。對點火器發(fā)火，可聽到明顯的碰撞聲，活塞桿推動負載質(zhì)量塊運動到位。

(a)試驗前

(b)試驗后圖9 作動筒平推質(zhì)量塊試驗照片F(xiàn)ig.9 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

通過火工作動筒平推質(zhì)量塊試驗，測量獲得高壓腔和低壓腔的壓力曲線，并與仿真結(jié)果對比，如圖10所示。低壓腔初始段試驗曲線偏低的原因為壓力傳感器的輸出小孔在初始時未完全露出，需運動一定行程才能完全露出。同時也直接測量了作動筒推力曲線，與仿真結(jié)果對比如圖11所示?？梢姺抡媾c試驗曲線規(guī)律一致，符合性很好，驗證了仿真方法的正確性。

圖10 作動筒平推質(zhì)量塊壓力曲線試驗與仿真對比(A腔為高壓腔，B腔為低壓腔)Fig.10 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

圖11 作動筒平推質(zhì)量塊推力曲線試驗與仿真對比Fig.11 Comparison between experiment and simulation results of thrust curves of pyrotechnic actuated devices pushing mass flat

3.3 作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)打開試驗

通過火工作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)打開試驗，如圖12所示。測量獲得高壓腔和低壓腔的壓力曲線，并與仿真結(jié)果對比，如圖13所示?？梢姺抡媾c試驗曲線規(guī)律一致，驗證了仿真方法的正確性。

圖12 作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)打開試驗照片F(xiàn)ig.12 Experiment photo of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

圖13 作動筒驅(qū)動堵蓋機構(gòu)打開試驗與仿真曲線對比Fig.13 Comparison between experiment and simulation results of pressure curves of pyrotechnic actuated devices pushing inlet port cover

火工作動筒關(guān)鍵輸出特性指標對比如表1所示，表2為仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差，最小誤差僅為-0.9%。分析表明，基于AMESim模型的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果接近，驗證了理論分析及仿真模型的正確性。

表1 火工作動筒仿真與試驗結(jié)果對比

表2 火工作動筒仿真與試驗結(jié)果相對誤差

4 結(jié)論

本文將多學(xué)科聯(lián)合仿真分析引入到火工作動裝置研制過程中，可幫助設(shè)計人員深入理解作動筒的燃燒產(chǎn)氣、排氣及對外做功的機理及運動規(guī)律，更好地改進設(shè)計，有效指導(dǎo)試驗，改變了以往火工作動裝置以大量試驗為主的研制方式，可實現(xiàn)火工作動裝置的精細化參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，拓寬了火工作動裝置的研制方法。