新型空投傘降設(shè)備觸地分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王曉東，姜其用，盧大海

(南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016)

0 引言

在無(wú)人機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等有設(shè)備空投需求的航空飛行器應(yīng)用領(lǐng)域中，通常需要通過(guò)空投傘來(lái)完成設(shè)備的投放[1,2]。為了防止空投傘降設(shè)備(以下稱空投設(shè)備)在觸地時(shí)被開(kāi)傘狀態(tài)下的空投傘拖拽而損壞，需要通過(guò)設(shè)計(jì)專門的分離機(jī)構(gòu)及時(shí)完成空投設(shè)備與空投傘的分離。高速狀態(tài)下空投設(shè)備的減速和落地完全是通過(guò)空投傘來(lái)完成的，故保證大開(kāi)傘沖擊載荷條件下機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)和觸地分離可靠性是空投成功與否的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)在當(dāng)前的空投設(shè)備傘降系統(tǒng)中被廣泛采用[3]，但這種結(jié)構(gòu)裝配復(fù)雜、要求高、難度大。同時(shí)在相同載荷條件下，由于機(jī)構(gòu)各部的接觸形式均為點(diǎn)接觸，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中致使材料屈服破壞，故只能通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的局部材料塑性變形增大接觸面積，以降低接觸應(yīng)力。此外，分離接頭的孔口區(qū)域發(fā)生塑性變形會(huì)阻礙接頭的分離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)分離失敗，設(shè)備無(wú)法釋放空投傘而損毀。

由于“鋼球式”分離機(jī)構(gòu)存在上述諸多不足，本文設(shè)計(jì)了一種全新的“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)，并采用ABAQUS對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得出其在10g空投過(guò)載下的應(yīng)力水平及其安全系數(shù)。通過(guò)仿真及對(duì)比分析，可以確定“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)不僅安全系數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)、裝配都更簡(jiǎn)單，重量更輕。該設(shè)計(jì)為空投設(shè)備提供了一種可靠的承載和空投傘分離機(jī)構(gòu)，也為其他類似結(jié)構(gòu)提供了有效可行的參考和借鑒。

1 “滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及工作原理

“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)如圖1所示，它主要由端蓋1、螺母2、主接頭3、傘端接頭4、爆炸螺栓5(相關(guān)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示)等組成，通過(guò)主接頭3預(yù)留孔處的掛傘銷來(lái)連接設(shè)備的傘繩，通過(guò)傘端接頭4預(yù)留孔處的掛傘銷來(lái)連接空投傘的傘繩。裝配時(shí)，傘端接頭4插入主接頭3的槽內(nèi)，爆炸螺栓5穿過(guò)主接頭3和傘端接頭4的螺栓孔，并與螺母2緊固，端蓋1與主接頭3的螺紋緊固，并抵住螺母2。

1-端蓋；2-螺母；3-主接頭；4-傘端接頭；5-爆炸螺栓

機(jī)構(gòu)分離示意圖如圖3所示，當(dāng)空投設(shè)備投放后空投傘打開(kāi)時(shí)，分離裝置的上下兩端被拉緊，分離裝置的配合面(傘端接頭4的圓柱面與主接頭3的圓孔面)承受拉力，爆炸螺栓5起到拉緊兩個(gè)接頭、防止二者沿配合面滑動(dòng)的作用。當(dāng)空投設(shè)備落地接收到空投傘分離信號(hào)后，爆炸螺栓5作動(dòng)，利用爆炸螺栓5的分離力使傘端接頭4從主接頭3的槽內(nèi)滑出；利用端蓋1限制螺母2運(yùn)動(dòng)，減少分離力損耗。

2 “滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可靠性分析

為了滿足空投傘開(kāi)傘大沖擊載荷工況，圖1中“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)的主接頭3、傘端接頭4均采用高強(qiáng)度合金鋼。接頭在雙耳槽的根部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在拉伸載荷條件下兩接頭向不同方向變形，會(huì)導(dǎo)致爆炸螺栓及螺母產(chǎn)生較大的應(yīng)力。如圖2所示，為保證引爆時(shí)分離可靠，爆炸螺栓采用低強(qiáng)度普通鋼，并在螺栓中部設(shè)計(jì)一段縮頸，使該處易出現(xiàn)應(yīng)力集中。綜上所述，接頭應(yīng)力集中部位及爆炸螺栓縮頸段的應(yīng)力水平是整個(gè)“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵約束條件。

1-端蓋；2-螺母；3-主接頭；4-傘端接頭；5-爆炸螺栓

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，某空投設(shè)備的傘降過(guò)載≯10g、空投重量≯280 kg、極限載荷為27.4 kN。以此為邊界條件，對(duì)“滑槽式”機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，各部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 “滑槽式”分離機(jī)構(gòu)各部件材料參數(shù)

基于以上設(shè)定，采用ABAQUS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力仿真計(jì)算，得出“滑槽式”分離機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 “滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖4可以看出：在27.4 kN承載條件下，“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)所有部件均位于其材料的屈服極限范圍內(nèi)，并有足夠的安全系數(shù)。將爆炸螺栓預(yù)緊力設(shè)定為2.5 kN，通過(guò)計(jì)算可以得到“滑槽式”機(jī)構(gòu)各部件的最大應(yīng)力及安全系數(shù)，如表2所示。

表2 27.4 kN承載條件下“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)各部件最大應(yīng)力及安全系數(shù)

3 “鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)的有限元仿真分析對(duì)比

某型傘降空投設(shè)備在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前采用傳統(tǒng)的“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，由上接頭、剪切銷、活塞、鋼球及下接頭組成。裝配時(shí)，先將活塞插入上接頭的孔內(nèi)、將鋼珠在上接頭圓周孔內(nèi)放置，隨后將下接頭中上一步完成裝配體整體塞入后翻轉(zhuǎn)倒置，利用慣性使活塞朝下接頭的一方滑動(dòng)，使鋼珠擠入下接頭中以防止上、下接頭分離，同時(shí)插入剪切銷阻止活塞下移。作動(dòng)時(shí)，分離信號(hào)引燃點(diǎn)火頭，推動(dòng)活塞切斷剪切銷，在爆炸沖擊力及空投傘拉力的作用下，將鋼球收回到上接頭內(nèi)，由此達(dá)到機(jī)構(gòu)分離的目的。

圖5 “鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成示意圖

作為對(duì)比，我們同樣對(duì)該“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)在相同載荷條件(27.4 kN)下進(jìn)行有限元分析，得出上、下接頭的應(yīng)力云圖，如圖6所示。由圖6可知：上接頭的最大應(yīng)力2 137 MPa，下接頭的最大應(yīng)力為2 430 MPa，均遠(yuǎn)超材料屈服極限。

圖6 傳統(tǒng)“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

對(duì)比分析圖4和圖6兩種結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析云圖可以看出：“鋼球式”機(jī)構(gòu)在27.4 kN載荷條件下已出現(xiàn)局部的屈服破壞，無(wú)法保證重復(fù)使用的可靠性；而“滑槽式”機(jī)構(gòu)在同等載荷下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性，并有足夠的安全系數(shù)。此外，“鋼球式”機(jī)構(gòu)的輪廓尺寸為Φ58×123.5 mm，重量約789 g，而“滑槽式”結(jié)構(gòu)輪廓尺寸為52 mm×50 mm×92 mm，重量約704 g?？梢?jiàn)“滑槽式”機(jī)構(gòu)在體積、重量、裝配工藝性、重復(fù)使用可靠性及承載能力方面均優(yōu)于“鋼球式”機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)，并通過(guò)有限元仿真分析得出，在10g傘降過(guò)載狀態(tài)下，其各部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)高達(dá)1.5以上，故“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)能更好地滿足空投設(shè)備開(kāi)傘承載及觸地分離的使用要求。

相較于傳統(tǒng)的“鋼球式”拋傘分離機(jī)構(gòu)裝配復(fù)雜、大載荷承載分離可靠性差等不足，“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)具有裝配簡(jiǎn)單、承載強(qiáng)、分離可靠性高等優(yōu)勢(shì)。此外，“滑槽式”拋傘分離機(jī)構(gòu)還具有體積小、重量輕、重復(fù)使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)空投傘降設(shè)備的分離裝置中有著更好的應(yīng)用前景，同時(shí)也為相似的承載分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠有效的參考。