分離螺栓解鎖沖擊下薄壁圓筒緩沖性能研究

李微微，付麗強，龔鈺哲，許 斌，丁 星

（1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012）

0 引 言

火工分離螺栓憑借可靠性高、承載力大等優(yōu)點成為航空航天技術(shù)裝備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于星箭分離、飛行器級間分離、導(dǎo)彈發(fā)射分離等方面［1-3］?；鸸し蛛x螺栓解鎖時會產(chǎn)生活動部件并形成高頻沖擊，對飛行器上各類電子設(shè)備及結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生不利影響［4-5］。因此，在飛行器上通常設(shè)計有分離螺栓緩沖收集裝置對分離后的螺桿進行緩沖和收納［6-7］，減小對飛行器的不利影響。

薄壁結(jié)構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)形式簡單、工作可靠、變形可控等特點［8］，能夠在有限的空間及尺寸約束下產(chǎn)生彈塑性變形而吸收大量的能量，具有良好的緩沖吸能效果，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對薄壁結(jié)構(gòu)件開展了大量的研究。早在美國先驅(qū)者號著陸時期就正式使用了薄壁金屬管進行著陸沖擊能量吸收［9］。李文才等［10-11］利用LS-DYNA 軟件對高g值沖擊下的圓柱殼緩沖過程進行了數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)在高g值沖擊下，圓柱殼具有良好的緩沖效果，且緩沖效果與圓柱殼直徑及壁厚具有明顯相關(guān)性。戴向勝等［12］對Singace 疊縮模型進行了修正，采用分步疊縮的理論方法，分析了圓柱殼的半徑和厚度，以及疊縮速度和能量吸收之間的關(guān)系。王耀琦等［13］研究了帶錐臺的薄壁金屬管緩沖吸能效果并開展了空氣炮實驗，發(fā)現(xiàn)錐角為15°時，薄壁金屬管結(jié)構(gòu)緩沖性能最佳。

文獻［10-12］只開展仿真和理論分析，缺乏試驗驗證；文獻［13］針對金屬管徑向擴張吸能結(jié)構(gòu)開展了試驗研究，但其結(jié)構(gòu)形式在軸向占據(jù)空間較大，在空間狹小的飛行器內(nèi)無法適用。本文基于薄壁圓筒軸向壓縮變形緩沖吸能原理，在飛行器狹小安裝空間內(nèi)，針對分離螺栓解鎖沖擊進行緩沖吸能裝置設(shè)計，利用有限元軟件Abaqus 對分離螺栓解鎖沖擊下薄壁圓筒緩沖吸能過程進行數(shù)值仿真，對不同厚度、不同沖擊速度條件下薄壁圓筒的緩沖性能進行數(shù)值仿真分析，以使其滿足緩沖力小、占用空間小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等設(shè)計要求，并通過試驗驗證數(shù)值仿真方法的正確性。

1 緩沖吸能裝置及有限元模型

緩沖吸能裝置主要依靠薄壁圓筒在分離螺栓解鎖沖擊下產(chǎn)生彈塑性變形和摩擦生熱進行能量吸收，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。薄壁圓筒由法蘭盤及緩沖筒組成，通過法蘭盤及緊固件對其進行固定。當(dāng)分離螺栓解鎖時，分離螺栓螺桿以速度v1水平向左運動，直至螺桿上的凸臺與薄壁圓筒的緩沖筒端面接觸，在解鎖沖擊作用下，薄壁圓筒軸向及徑向產(chǎn)生彈塑性變形，螺桿的動能被吸收，實現(xiàn)緩沖吸能的目的，最終有效降低分離螺栓解鎖沖擊對飛行器電子設(shè)備及結(jié)構(gòu)件的影響。

圖1 緩沖吸能裝置Fig.1 Cushioning energy absorption device

模型取薄壁圓筒高度H為20 mm，內(nèi)徑φ為11 mm，壁厚t分別取1.8、2.0、2.5 mm，基于Abaqus 軟件［14-15］建立緩沖吸能裝置有限元模型，完成薄壁圓筒和分離螺栓螺桿網(wǎng)格劃分，模型共包含26 393 個單元，如圖2所示。

圖2 緩沖吸能裝置有限元計算模型Fig.2 Finite element calculation model for cushioning energy absorption device

螺桿材料為高強鋼，將其定義為剛體。建模過程中采用質(zhì)量等效方法，在螺桿上建立質(zhì)量點，賦予螺桿質(zhì)量為0.168 kg；薄壁圓筒材料為2A12 鋁合金，建模過程中將其定義為彈塑性體，其相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表1，塑性變形階段應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示。在薄壁圓筒法蘭盤安裝面上建立固定約束，并定義螺桿與薄壁圓筒間為面面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。通過Predefined Field 模塊對螺桿施加初始沖擊速度v1。

表1 薄壁圓筒材料參數(shù)Tab.1 Parameters of a thin-walled cylinder material

圖3 薄壁圓筒材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of a thin-walled cylinder material

2 緩沖性能分析

2.1 厚度對緩沖性能的影響

2.1.1 厚度對緩沖力的影響

選取不同壁厚（t=1.8、2.0、2.5 mm）的薄壁圓筒，在同一螺桿質(zhì)量及同一沖擊速度下（m=0.168 kg，v1=55 m/s）開展數(shù)值仿真計算與分析，得到?jīng)_擊力與時間關(guān)系曲線F-t、位移與時間關(guān)系曲線u-t，如圖4、圖5所示。從圖4 和圖5 可以看出，當(dāng)沖擊速度及沖擊質(zhì)量一定時，隨著壁厚不斷增加，薄壁圓筒受到的沖擊時間逐漸變短，形成的沖擊力不斷增大，產(chǎn)生的壓縮位移逐漸減小，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的剛性不斷增強。其中，壁厚2.5 mm 的薄壁圓筒緩沖過程沖擊力＞50 kN，無法滿足設(shè)計要求。不同壁厚薄壁圓筒在不同時刻的變形云圖如圖6所示。

圖4 沖擊力變化曲線Fig.4 Impact force curve

圖5 位移變化曲線Fig.5 Deformation curve

圖6 不同壁厚薄壁圓筒不同時刻變形圖Fig.6 Deformation diagram of a thin-walled cylinder with different thicknesses at different time

2.1.2 厚度對緩沖吸能的影響

緩沖裝置的吸能特性主要表現(xiàn)在總吸能方面，但在空間及重量強約束的條件下，為了綜合評估緩沖裝置的緩沖性能，比吸能成為衡量緩沖裝置能量吸收能力的重要指標(biāo)。比吸能主要包括單位體積比吸能和單位質(zhì)量比吸能［16］。薄壁圓筒緩沖吸能裝置在沖擊載荷作用下吸收的總能量W表示為

式中：u為薄壁圓筒被壓縮位移；F（u）為薄壁圓筒被壓縮位移為u時的沖擊力。

單位體積比吸能WV為薄壁圓筒單位體積內(nèi)吸收的能量，其可定義為

式中：V為薄壁圓筒體積。

單位質(zhì)量比吸能Wm為薄壁圓筒單位質(zhì)量內(nèi)吸收的能量，其可定義為

式中：m為薄壁圓筒質(zhì)量；ρ為材料密度。

薄壁圓筒緩沖吸能裝置安裝于飛行器內(nèi)部，用于分離螺栓解鎖沖擊能量緩沖吸收。飛行器內(nèi)部空間有限且對零部件的質(zhì)量有著嚴苛的要求，因此，可通過對總吸能、單位體積比吸能和單位質(zhì)量比吸能進行分析，綜合評估緩沖裝置的能量吸收能力。

在螺桿質(zhì)量0.168 kg、沖擊速度55 m/s工況下，對不同厚度（t=1.8、2.0、2.5 mm）薄壁圓筒吸能情況進行分析。不同壁厚薄壁圓筒的總能量吸收曲線如圖7所示，吸能特性指標(biāo)對比見表2。由表2可知，隨著壁厚的不斷減小，薄壁圓筒的質(zhì)量及體積均有所減小，吸收的總能量雖稍有提升但變化較小，其單位體積比吸能和單位質(zhì)量比吸能均顯著增大。綜合分析表明，在結(jié)構(gòu)未完全壓潰條件下，薄壁圓筒的壁厚越薄，吸能效果越好。

表2 吸能特性指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of energy absorption characteristics

圖7 不同壁厚薄壁圓筒總能量吸收曲線Fig.7 Total energy absorption curve of a thin-walled cylinder with different thickness

2.2 沖擊速度對緩沖性能的影響

2.2.1 沖擊速度對緩沖力的影響

為了分析沖擊速度對緩沖力的影響，對同一壁厚（t=2 mm）薄壁圓筒在不同沖擊速度下的緩沖力進行數(shù)值仿真分析。沖擊速度對薄壁圓筒沖擊力及最大位移影響的計算結(jié)果見表3、圖8和圖9。

表3 不同沖擊速度下厚薄壁圓筒緩沖力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties at different impact velocities of a thin-walled cylinder

圖8 不同沖擊速度下薄壁圓筒沖擊力峰值曲線Fig.8 Peak impact force curve of a thin-walled cylinder at different impact velocities

圖9 不同沖擊速度下薄壁圓筒最大位移曲線Fig.9 Maximum deformation curve of a thin-walled cylinder at different impact velocities

由表3、圖8 和圖9 可知，沖擊速度對薄壁圓筒的沖擊力及最大位移有較大的影響。在沖擊速度較低時，薄壁圓筒的沖擊力峰值隨沖擊速度增加而呈現(xiàn)近似線性增加趨勢，在沖擊速度達到一定數(shù)值后，薄壁圓筒的沖擊力峰值趨于穩(wěn)定，其主要原因為沖擊速度較低時，沖擊能量較低，薄壁圓筒主體處于彈性變形階段；沖擊速度較高時，沖擊能量較高，薄壁圓筒主體進入塑性屈曲狀態(tài)，吸能過程沖擊力峰值不再增大。薄壁圓筒最大位移則隨著沖擊速度增加明顯增大，呈現(xiàn)出強非線性關(guān)系。

2.2.2 沖擊速度對緩沖吸能的影響

為了分析沖擊速度對緩沖吸能的影響，對同一壁厚（t=2.0 mm）薄壁圓筒在不同沖擊速度下的緩沖吸能進行數(shù)值仿真分析。沖擊速度對薄壁圓筒緩沖吸能影響的計算結(jié)果見表4、圖10和圖11。

表4 不同沖擊速度下薄壁圓筒吸能效果Tab.4 Energy absorption characteristics at different impact velocities of a thin-walled cylinder

圖10 不同沖擊速度下薄壁圓筒質(zhì)量比吸能曲線Fig.10 The mass specific energy absorption curve of a thin-walled cylinder at different impact velocities

圖11 不同沖擊速度下薄壁圓筒體積比吸能曲線Fig.11 The volume specific energy absorption curve of a thin-walled cylinder at different impact velocities

由表4、圖10和圖11可見，薄壁圓筒緩沖吸能與沖擊速度具有明顯相關(guān)性，在同一壁厚薄壁圓筒條件下，隨著沖擊速度的增加，薄壁圓筒的質(zhì)量比吸能和體積比吸能數(shù)值均有明顯增加，且均呈現(xiàn)出強非線性關(guān)系。

3 沖擊試驗驗證

為了驗證仿真分析結(jié)果的正確性，在沖擊速度55 m/s條件下，選取壁厚2.0 mm薄壁圓筒開展了分離螺栓解鎖沖擊緩沖試驗。將薄壁圓筒放置在飛行器上的分離螺栓收集盒內(nèi)，通過分離螺栓，將艙段1與艙段2連接，試驗產(chǎn)品如圖12 所示。試驗后，收集盒結(jié)構(gòu)完整、緊固件連接可靠，薄壁圓筒按預(yù)定緩沖模式產(chǎn)生塑性變形，薄壁圓筒緩沖性能滿足飛行器使用要求，變形狀態(tài)如圖13所示。薄壁圓筒軸向最大位移試驗值與仿真值對比見表5。由表5可知，薄壁圓筒軸向最大位移試驗值與仿真值誤差僅為5.05%，說明數(shù)值仿真能夠較為準確地模擬薄壁圓筒緩沖變形過程。

表5 薄壁圓筒軸向最大位移試驗與仿真對比Tab.5 Comparison between test and simulation of maximum axial deformation of a thin-walled cylinder

圖12 薄壁圓筒驗證試驗Fig.12 Verification test of a thin-walled cylinder

圖13 薄壁圓筒變形狀態(tài)Fig.13 The deformation state of a thin-walled cylinder

4 結(jié)束語

基于薄壁圓筒緩沖吸能原理在狹小空間內(nèi)設(shè)計了緩沖吸能裝置，利用有限元方法完成了不同參數(shù)薄壁圓筒的緩沖性能分析，研究結(jié)論如下：

1） 薄壁圓筒具有良好的緩沖吸能效果，其壁厚和沖擊速度對緩沖性能具有較大的影響；

2） 在結(jié)構(gòu)未完全壓潰條件下，薄壁圓筒的壁厚越薄，吸能效果越好；

3） 在沖擊速度較低時，薄壁圓筒的沖擊力峰值隨沖擊速度增加而呈現(xiàn)近似線性增加趨勢，在沖擊速度達到一定數(shù)值后，薄壁圓筒的沖擊力峰值趨于穩(wěn)定；

4） 在緩沖過程中，薄壁圓筒的最大位移、質(zhì)量比吸能和體積比吸能隨著沖擊速度的增加而增加，呈現(xiàn)出強非線性關(guān)系。