三向承載型飛行器鎖緊釋放裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李微微，張保剛，俞劉建，夏津，楊艷洲，許斌

(上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

0 引言

鎖緊釋放裝置作為飛行器分離系統(tǒng)的重要組成部分，在飛行器貯存和運(yùn)輸過程起到可靠的鎖緊固定作用，在發(fā)射分離過程確保飛行器快速實(shí)現(xiàn)解鎖釋放，并保證解鎖分離過程或分離之后，鎖緊釋放裝置不會(huì)反彈影響飛行器的分離姿態(tài)[1]。其設(shè)計(jì)是否合理、工作是否可靠，對(duì)飛行器飛行成敗起到至關(guān)重要的作用。按解鎖方式區(qū)分，目前各類產(chǎn)品大多采用火工解鎖和非火工解鎖兩種方式。非火工解鎖方式在近些年逐漸興起，其主要以形狀記憶合金[2]、電機(jī)[3]為驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)固定解鎖，但其存在可靠性低、承載力小、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問題。與非火工解鎖相比，火工解鎖裝置在飛行器領(lǐng)域備受青睞，典型的火工解鎖方式有爆炸螺栓[4]、分離螺母[5]等。基于該類型解鎖方式研制的鎖緊釋放裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且廣泛應(yīng)用于大承載領(lǐng)域，但目前公開文獻(xiàn)報(bào)道的關(guān)于基于火工解鎖方式且能同時(shí)承受軸向、垂向及側(cè)向載荷的鎖緊釋放裝置的研究較少。

針對(duì)以上不足，本文以平行四邊形機(jī)構(gòu)為基體，設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)承受軸向、垂向及側(cè)向載荷的火工鎖緊釋放裝置，實(shí)現(xiàn)飛行器有效鎖緊與分離，且具有承載力大、可靠性高等特點(diǎn)。

1 鎖緊釋放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求及總體設(shè)計(jì)

在飛行器貯存、運(yùn)輸及發(fā)射過程中，對(duì)鎖緊釋放裝置的要求不盡相同，其具體功能需求如下：

1)能夠同時(shí)承受軸向、垂向和側(cè)向載荷；

2)在貯存及運(yùn)輸過程對(duì)飛行器有效鎖緊固定；

3)飛行器分離發(fā)射時(shí)能夠快速解鎖；

4)對(duì)飛行器軸向限位時(shí)需具有一定預(yù)緊力；

5)解鎖分離后機(jī)構(gòu)不能反彈而撞擊飛行器。

基于以上功能要求，本文研制了一種新型飛行器鎖緊釋放裝置，結(jié)構(gòu)方案框圖如圖1所示，其主要由鎖緊分離模塊、徑向緩沖模塊、防反彈組件、軸向預(yù)緊模塊及起爆控制模塊組成。根據(jù)設(shè)計(jì)方案并基于平行四邊形機(jī)構(gòu)完成鎖緊釋放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維模型如圖2所示，其能夠同時(shí)承受x向(正向)、y向及z向(正向)三個(gè)方向的載荷。

圖1 鎖緊釋放裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2 鎖緊釋放裝置三維模型

鎖緊釋放裝置鎖緊連接狀態(tài)如圖3所示，鎖緊螺栓固定在底板上、承載轉(zhuǎn)軸套入鎖緊螺栓中，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)連桿與底板處于垂直狀態(tài)。在飛行器貯存、運(yùn)輸過程中，在平行四邊形機(jī)構(gòu)作用下將載荷傳遞至鎖緊螺栓與底板上；鎖緊狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)彈簧處于壓縮狀態(tài)，擋銷被連桿壓緊在銷孔內(nèi)，而復(fù)位彈簧處于拉伸狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連桿具有一定拉力作用，保證解鎖時(shí)連桿不會(huì)瞬間旋轉(zhuǎn)。而擋板組件設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)形式，在弧面上硫化一層橡膠結(jié)構(gòu)，有效解決貯存、運(yùn)輸及飛行工況下飛行器表面涂層易損壞問題，并在振動(dòng)、沖擊環(huán)境下起到緩沖、吸能作用。解鎖分離時(shí)，通過起爆器將鎖緊螺栓引爆，在螺栓爆炸沖擊作用下，平行四邊形機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將連桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為擋板組件的平行移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后完全解除對(duì)飛行器的約束作用。該狀態(tài)下防反彈組件開始工作，在驅(qū)動(dòng)彈簧作用下，擋銷彈出并擋住轉(zhuǎn)動(dòng)連桿，避免機(jī)構(gòu)反彈撞擊飛行器，影響飛行器的分離姿態(tài)。擋銷彈出狀態(tài)下，復(fù)位彈簧對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)連桿的阻力變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，加速連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，直至機(jī)構(gòu)反彈并與擋銷相碰。在機(jī)構(gòu)作用下飛行器完成解鎖分離，鎖緊釋放裝置解鎖分離后狀態(tài)如圖4所示。

圖3 鎖緊連接狀態(tài)

圖4 解鎖分離狀態(tài)

1.2 平行四邊形機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

鎖緊釋放裝置以平行四邊形機(jī)構(gòu)作為基體進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了保證裝置解鎖釋放后擋板組件不會(huì)干涉飛行器正常分離運(yùn)動(dòng)，需對(duì)四邊形機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)(擋銷彈出位置)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)連桿長(zhǎng)度L1、轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ、擋板水平移動(dòng)距離L以及擋板豎直上移高度H。根據(jù)平行四邊形轉(zhuǎn)動(dòng)變平動(dòng)的工作原理可獲得鎖緊釋放裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

根據(jù)角度關(guān)系可知：

(1)

為保證飛行器可靠分離，需滿足目標(biāo)函數(shù)H≥30mm。根據(jù)式(1)可得到距離與角度間關(guān)系，利用MATLAB軟件編寫程序，運(yùn)行后獲得連桿長(zhǎng)度L1與轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ間的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可知，擋板上升高度不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度逐漸增大，所需連桿長(zhǎng)度L1非線性減小；當(dāng)連桿長(zhǎng)度保持不變時(shí)，擋板上升高度隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度增大而逐漸增大。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和圖6可知，連桿長(zhǎng)度越大、擋板上升高度越大，飛行器分離時(shí)越安全。但由于鎖緊釋放裝置安裝空間限制，最終選擇連桿長(zhǎng)度L1為86mm，擋板上升高度H為34mm，此時(shí)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ為54.7°，水平移動(dòng)距離L為70.2mm，該狀態(tài)下防反彈組件工作。

圖6 連桿長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度間的關(guān)系

2 仿真分析

2.1 模型簡(jiǎn)化及參數(shù)設(shè)置

ABAQUS具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，能夠有效地解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，便于開展機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算[6]。但其建模能力與專業(yè)的三維軟件相比稍遜一籌，因此，需將Creo中建立的模型導(dǎo)入ABAQUS，并設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)開展計(jì)算分析工作。由于原始三維模型零部件多、特征復(fù)雜，造成網(wǎng)格劃分困難、計(jì)算速度慢，故對(duì)鎖緊釋放裝置三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[7]，具體簡(jiǎn)化內(nèi)容包括：

1)去除對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響的零部件，如防反彈組件、軸向預(yù)緊模塊、復(fù)位彈簧、彈簧座等；

2)去除不必要的結(jié)構(gòu)特征，如圓角、倒角及無關(guān)的孔，進(jìn)而避免出現(xiàn)網(wǎng)格劃分困難，提升計(jì)算效率。簡(jiǎn)化后的模型如圖7所示。

圖7 簡(jiǎn)化后模型

將簡(jiǎn)化后的模型轉(zhuǎn)換成中間格式導(dǎo)入ABAQUS，借助Standard模塊開展靜力學(xué)計(jì)算。為了提高裝置的可靠性，鎖緊釋放裝置全部零件材料均使用40Cr。網(wǎng)格劃分是仿真計(jì)算的難點(diǎn)之一，為了提升計(jì)算效率以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選擇非協(xié)調(diào)模式單元C3D8I進(jìn)行劃分，單元大小均為2.5mm，劃分后的裝置如圖8所示。隨后依次設(shè)置分析步、定義接觸、施加邊界條件。為了準(zhǔn)確模擬飛行器貯存、運(yùn)輸及飛行過程中承受的極端載荷，將鎖緊釋放裝置承受的載荷分解為軸向力(20g)、垂向力(3g)、側(cè)向力(3g)。

圖8 網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)鎖緊釋放裝置的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，探討裝置的強(qiáng)度及剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，其具體仿真結(jié)果如下：

圖9(a)、圖9(b)分別給出了鎖緊釋放裝置在極端工況下的整體應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果。由圖可知，該裝置最大Mises應(yīng)力為933.4MPa(局部點(diǎn))，最大應(yīng)力點(diǎn)附近位置應(yīng)力值明顯下降，均在800MPa以下。最大應(yīng)力出現(xiàn)在承載轉(zhuǎn)軸與承載擋板的局部接觸位置，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；裝置最大變形量為1.2mm，但其沿航向方向的最大變形僅為0.8mm，滿足產(chǎn)品的剛度要求。

圖9 極端工況下鎖緊釋放裝置計(jì)算結(jié)果

由于承載轉(zhuǎn)軸與承載擋板的局部接觸位置出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此針對(duì)承載轉(zhuǎn)軸及承載擋板的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行單獨(dú)分析具有重要意義。圖10和圖11分別給出了極端工況下承載轉(zhuǎn)軸及承載擋板的計(jì)算結(jié)果。由圖10可知，在載荷作用下承載轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力為741.9MPa，小于40Cr材料的抗拉強(qiáng)度；由圖11可知，承載擋板的最大應(yīng)力及出現(xiàn)位置與裝置整體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果保持一致，其主要由于在多載荷同時(shí)作用時(shí)，承載擋板同時(shí)承受拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)作用，造成其出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中僅在局部點(diǎn)位置出現(xiàn)，對(duì)于裝置整體的強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生破壞。

圖10 承載轉(zhuǎn)軸計(jì)算結(jié)果

圖11 承載擋板計(jì)算結(jié)果

綜合分析鎖緊釋放裝置強(qiáng)度及剛度計(jì)算結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的鎖緊釋放裝置的承載性能滿足設(shè)計(jì)要求，能夠安全可靠承受極端載荷，且針對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鎖緊承載試驗(yàn)

鎖緊釋放裝置試驗(yàn)樣機(jī)如圖12所示，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了去毛刺、銳角倒鈍及涂潤(rùn)滑脂等處理，對(duì)裝置開展了靜態(tài)鎖緊加載試驗(yàn)。將裝置固定在支架上，利用高壓油泵及飛行器工裝實(shí)施加載并保壓1min，加載過程使用激光傳感器對(duì)裝置多個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：鎖緊釋放裝置在高壓載荷作用下，徑向變形量極小，軸向最大位移0.6mm，其主要由零件彈性變形和各轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙組成，并且卸載后裝置變形恢復(fù)。

圖12 鎖緊加載狀態(tài)

3.2 釋放分離試驗(yàn)

為了驗(yàn)證鎖緊釋放裝置的分離可靠性，利用高壓油泵實(shí)施了提拉分離試驗(yàn)。在軸向油壓作用下，飛行器工裝進(jìn)行軸向高速運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)裝置逆時(shí)針向上翻倒。試驗(yàn)結(jié)果表明：鎖緊釋放裝置分離正常，機(jī)構(gòu)觸底后反彈并被擋銷成功擋住，避免了裝置與飛行器碰撞，實(shí)現(xiàn)了飛行器可靠發(fā)射。

圖13 釋放展開狀態(tài)

通過鎖緊承載試驗(yàn)和釋放分離試驗(yàn)表明，三向承載型鎖緊釋放裝置能夠有效承載、可靠分離，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，彌補(bǔ)了現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足。

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一種新型飛行器鎖緊釋放裝置，該裝置以平行四邊形機(jī)構(gòu)為基體，依靠鎖緊螺栓實(shí)現(xiàn)鎖緊釋放功能，能夠同時(shí)承受軸向、垂向及側(cè)向載荷。獲得了平行四邊形機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)：連桿長(zhǎng)度L1=86mm，擋板上升高度H=34mm，連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ=54.7°，水平移動(dòng)距離L=70.2mm。在三向載荷作用下鎖緊釋放裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均能滿足設(shè)計(jì)要求。分別進(jìn)行了裝置鎖緊承載試驗(yàn)和釋放分離試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置鎖緊、釋放及防反彈功能的可靠性，為飛行器提供了新型的鎖緊釋放裝置。