爆炸螺栓預(yù)緊力對(duì)沖擊響應(yīng)影響分析

第一作者黃含軍男，高級(jí)工程師，1973年11月生

爆炸螺栓預(yù)緊力對(duì)沖擊響應(yīng)影響分析

黃含軍，王軍評(píng)，毛勇建，岳曉紅，呂劍

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽(yáng)621900)

摘要：爆炸分離沖擊環(huán)境地面模擬試驗(yàn)中一般通過懸掛試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中連接兩分離部件的爆炸螺栓預(yù)緊力可能會(huì)對(duì)分離沖擊響應(yīng)產(chǎn)生影響。爆炸螺栓預(yù)緊力由螺栓安裝擰緊力矩與分離下件重量產(chǎn)生，通過分析該力矩及該重量變化研究預(yù)緊力對(duì)響應(yīng)影響。通過數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究，分別在時(shí)、頻域?qū)憫?yīng)影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，爆炸螺栓安裝力矩及分離下件重量在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)中遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊響應(yīng)影響較小。

關(guān)鍵詞：爆炸螺栓；預(yù)緊力；爆炸分離沖擊；沖擊響應(yīng)

基金項(xiàng)目：國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-08-09

中圖分類號(hào):O839文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Influence of pretightening force of explosive bolts on impulse response

HUANGHan-jun，WANGJun-ping，MAOYong-jian，YUEXiao-hong，LüJian(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The pyroshock simulation test on the ground is usually achieved through a hanging test. In the test, two separation parts are connected by explosive bolts, and the pretightening force of explosive bolts may have influence on impulse response during a pyroshock event. The pretightening force determined by the tightening torque and the weight of the lower separation part were considered as two important influential factors in the investigation. A FE numerical simulation and a hanging test were carried out. Different tightening torques and separation part weights were considered. The experimental results were analyzed both in time and frequency domain. Both the simulation and experimental results indicate that the influence of thoses two factors is limited in the mid-field and far-field of the bolts explosion.

Key words:explosive bolt; pretightening force; pyroshock; impulse response

導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭級(jí)間或頭體由螺栓連接，分離時(shí)利用火工品爆炸驅(qū)動(dòng)使螺栓解鎖，完成導(dǎo)彈的級(jí)間或頭體分離。火工品裝置在實(shí)現(xiàn)解鎖、分離動(dòng)作時(shí)瞬間釋放出爆炸能量，導(dǎo)致安裝火工品裝置產(chǎn)生的應(yīng)變能釋放及結(jié)構(gòu)部件間碰撞。該能量瞬時(shí)作用于分離結(jié)構(gòu)上，使其產(chǎn)生瞬態(tài)爆炸分離沖擊響應(yīng)，形成爆炸分離沖擊環(huán)境[1-2]。爆炸分離沖擊作為復(fù)雜的振蕩型沖擊，主要特點(diǎn)為[3-4]：①持續(xù)時(shí)間短；②加速度幅值高，但速度、位移較小；③高頻率、寬頻帶。大量事實(shí)表明，爆炸分離沖擊環(huán)境對(duì)航天器及其電子系統(tǒng)具有較強(qiáng)的破壞效應(yīng)，導(dǎo)致航天器硬件故障[5]。因此，對(duì)爆炸分離沖擊環(huán)境的地面試驗(yàn)?zāi)M成為研究重點(diǎn)。

圖1　爆炸分離沖擊試驗(yàn)示意圖 Fig.1 Illustration of the experimental setup

對(duì)爆炸分離沖擊環(huán)境地面火工裝置模擬試驗(yàn)，一般采用懸掛方式，見圖1。分離上、下件通過螺栓連接，螺栓解鎖后分離下件在重力作用下下落與分離上件分離。對(duì)地面利用火工裝置模擬試驗(yàn)，GJB150.27-2009[6]及MIL-STD-810F[4]中有兩個(gè)相關(guān)試驗(yàn)程序，即用真實(shí)配置模擬、用模擬或近似配置模擬。對(duì)全尺寸試驗(yàn)而言，用全真配置試驗(yàn)代價(jià)昂貴，且可能受某些限制無法進(jìn)行，故一般采用部分真實(shí)部分近似配置試驗(yàn)，可能造成連接分離上下件爆炸螺栓預(yù)緊力與實(shí)際情況有差異，而爆炸螺栓預(yù)緊力由螺栓安裝力矩與分離下件質(zhì)量決定。因此，需分析其對(duì)爆炸分離沖擊環(huán)境影響，以便在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)是否需改變。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)星箭分離中包帶預(yù)緊力、分離裝置裝藥量與沖擊響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析。本文針對(duì)級(jí)間或頭體中爆炸螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力來源即安裝擰緊力矩、分離下件重量，通過數(shù)值模擬、試驗(yàn)，分析其對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)影響，為爆炸分離沖擊試驗(yàn)及構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。

1安裝擰緊力矩對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)影響數(shù)值分析

為分析螺栓安裝擰緊力矩對(duì)沖擊響應(yīng)影響，便于數(shù)值建模、減小計(jì)算規(guī)模，考慮簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)為上下分離件由兩段圓錐殼組成，圓錐殼由爆炸螺栓連接，計(jì)算模型與文獻(xiàn)[8]一致,見圖2，上下分離件材料為鋁合金，由6個(gè)均布爆炸螺栓連接。螺栓、螺母、外套材料為合金鋼，剪切銷材料為紫銅，用ANSYS/ LS-DYNA建模，據(jù)對(duì)稱性取1/12有限元模型進(jìn)行計(jì)算。為施加擰緊力矩產(chǎn)生的預(yù)緊力，在爆炸螺栓外套與錐殼下件接觸處施加軸向約束，在螺栓尾部緩慢施加拉力(以不產(chǎn)生明顯應(yīng)力波效應(yīng)為宜)，達(dá)預(yù)緊力峰值時(shí)突然釋放，模擬爆炸螺栓解鎖。施加拉力時(shí)域分布為三角形，在2 ms內(nèi)從0線性增加至某值后突變?yōu)?。為考察不同安裝擰緊力矩影響，理想情況考慮對(duì)4種不同安裝擰緊力矩(20 N·m，40 N·m，80 N·m，120 N·m)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值計(jì)算中僅考慮擰緊力矩影響，不考慮炸藥爆炸、螺栓分離后撞擊及分離下件重力影響。

圖2　計(jì)算模型示意圖 [8] Fig.2 Detailed views of the computational model [8]

據(jù)計(jì)算結(jié)果獲得4種擰緊力矩下時(shí)域加速度峰值隨與爆炸螺栓距離增加而衰減的規(guī)律，見圖3。選取3特征點(diǎn)位于分離上件同一母線，距螺栓分別為2 cm、13 cm、61 cm，分析的峰值為軸向(X向)響應(yīng)峰值。由圖3看出，隨距離增加，加速度峰值呈衰減趨勢(shì)，衰減趨勢(shì)由劇烈逐漸變?yōu)榫徍汀?個(gè)特征點(diǎn)隨預(yù)緊力變化規(guī)律分析見圖4。據(jù)文獻(xiàn)[9]，按沖擊環(huán)境強(qiáng)度及頻譜成份，爆炸分離沖擊環(huán)境分為近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，對(duì)大多數(shù)點(diǎn)源，近場(chǎng)區(qū)域距沖擊源3 cm以內(nèi)，中場(chǎng)區(qū)域距沖擊源3～15 cm，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域距沖擊源15 cm以上。3特征點(diǎn)分別位于近、中及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。由3特征點(diǎn)結(jié)果可知，隨預(yù)緊力增加，加速度峰值呈線性增加；近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)遞增程度不一致，各有區(qū)別；隨距離增加，其遞增斜率降低，近場(chǎng)斜率最大，遠(yuǎn)場(chǎng)最小，即近場(chǎng)響應(yīng)對(duì)擰緊力矩更敏感。

圖3　加速度峰值隨距離衰減 Fig.3 The relation between the peak acceleration value and the distance to the explosive bolt

2擰緊力矩、分離下件重量變化對(duì)響應(yīng)影響試驗(yàn)研究

試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離的上下件由爆炸螺栓相連(圖1)，點(diǎn)火爆炸螺栓的同時(shí)啟動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。針對(duì)安裝擰緊力矩影響，試驗(yàn)據(jù)實(shí)際情況考慮40 N·m及20 N·m兩種力矩；針對(duì)分離下件重量影響，考慮增加附加重量改變分離下件重量，即不附加重量即分離下件本身42 kg及附加56 kg配重，重量變化為1.3倍。試驗(yàn)以某測(cè)點(diǎn)軸向(X向)、橫向(Y向)加速度響應(yīng)及沖擊響應(yīng)譜(SRS)進(jìn)行對(duì)比，該測(cè)點(diǎn)距爆炸螺栓中心橫向距離約13 cm，按文獻(xiàn)[9]劃分，可認(rèn)為位于爆炸分離沖擊環(huán)境中場(chǎng)區(qū)域。

兩種擰緊力矩加速度響應(yīng)時(shí)域曲線與沖擊響應(yīng)譜對(duì)比見圖5、圖6，圖中“_X”、“_Y”分別表示測(cè)點(diǎn)加速度軸向、橫向響應(yīng)，下同。其中圖6的沖擊響應(yīng)譜由圖5時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算獲得。其中圖5(a)、圖6(a)為測(cè)點(diǎn)X向響應(yīng)，圖5(b)、圖6(b)為測(cè)點(diǎn)Y向響應(yīng)。盡管擰緊力矩相差一倍，且時(shí)域曲線顯示峰值有差異(X向相差9.2%，Y向相差29%)，但響應(yīng)趨勢(shì)一致；頻域沖擊響應(yīng)譜中二者峰值在X向相差1.3 dB，Y向相差4.7 dB。據(jù)GJB 150.27-2009允差規(guī)定，兩相差值均在允差范圍內(nèi)，可認(rèn)為二者影響一致。據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在20～120 N·m范圍內(nèi)，擰緊力矩與加速度響應(yīng)峰值呈線性關(guān)系。結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果，可得擰緊力矩在1倍范圍內(nèi)變化對(duì)爆炸分離沖擊中遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)影響較小的結(jié)論，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。原因可能為產(chǎn)生爆炸分離沖擊載荷的三種機(jī)制中，火工品爆炸產(chǎn)生的載荷占主要因素[8]。

圖4 加速度峰值隨擰緊力矩變化Fig.4Therelationbetweenthepeakaccelerationvalueandtighteningtorque圖5 兩種擰緊力矩的加速度響應(yīng)時(shí)域曲線比較Fig.5Accelerationresponsesintimedomainwhentwodifferenttighteningtoquesareapplied

圖6 兩種擰緊力矩沖擊響應(yīng)譜比較Fig.6Accelerationresponsesinfrequencydomainwhentwodifferenttighteningtoquesareapplied圖7 有無配重狀態(tài)加速度響應(yīng)時(shí)域曲線比較Fig.7Accelerationresponsesintimedomainwhentwodifferentweighsofthelowerseparationpartareapplied圖8 有無配重狀態(tài)沖擊響應(yīng)譜比較Fig.8Accelerationresponsesinfrequencydomainwhentwodifferentweighsofthelowerseparationpartareapplied

無配重與有配重加速度響應(yīng)時(shí)域曲線與沖擊響應(yīng)譜對(duì)比見圖7、圖8。據(jù)有、無配重，分離下件重量差別約1倍。由兩圖看出，無論在時(shí)域或頻域兩種狀態(tài)基本一致，表明分離下件重量差別在1倍范圍內(nèi)，影響較小。實(shí)際上，在時(shí)域X向峰值相差0.4%，Y向相差21.6%；在頻域X向峰值相差1.6 dB，Y向峰值相差0.99dB。

事實(shí)上，無論擰緊力矩或分離下件重量，均可歸于螺栓預(yù)緊力。擰緊力矩與螺栓預(yù)緊力關(guān)系為

Mt=0.2FD

(1)

式中：Mt為擰緊力矩；F為螺栓預(yù)緊力；D為螺栓直徑。

對(duì)分離下件重量相關(guān)的預(yù)緊力可換算成分離下件重量。本次試驗(yàn)中通過計(jì)算，40 N·m力矩相當(dāng)于對(duì)螺栓施加14 286 N拉力，而56 kg配重施加到螺栓的拉力為548.8 N，兩項(xiàng)比較，配重影響可忽略不計(jì)。與文獻(xiàn)[10]結(jié)論一致，即模擬重量大小無關(guān)緊要，能較好實(shí)現(xiàn)分離即可。

由以上分析知，分離下件質(zhì)量較小時(shí)其在爆炸螺栓預(yù)緊力中的貢獻(xiàn)較小，因而螺栓擰緊力矩在預(yù)緊力中占優(yōu)，分離下件重量因素可忽略；分離下件質(zhì)量較大、在螺栓上產(chǎn)生的拉力與擰緊力矩產(chǎn)生的拉力相當(dāng)時(shí)，其綜合產(chǎn)生影響需進(jìn)一步分析。

3結(jié)論

通過數(shù)值模擬、試驗(yàn)及爆炸螺栓預(yù)緊力對(duì)爆炸分離沖擊響應(yīng)影響即對(duì)爆炸螺栓擰緊力矩及分離下件重量變化對(duì)沖擊響應(yīng)影響分析，結(jié)論如下：

(1)爆炸螺栓擰緊力矩大小與加速度響應(yīng)峰值呈線性關(guān)系，擰緊力矩在1倍范圍內(nèi)變化對(duì)爆炸分離沖擊中遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)影響較小，在實(shí)際工作范圍內(nèi)，擰緊力矩變化遠(yuǎn)小于1倍，影響可忽略不計(jì)。

(2)分離下件質(zhì)量在1倍范圍內(nèi)變化較螺栓預(yù)緊力而言為小量，可忽略爆炸分離沖擊環(huán)境中遠(yuǎn)場(chǎng)影響。

(3)爆炸螺栓安裝力矩在1倍范圍內(nèi)變化對(duì)中遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊響應(yīng)影響較小，加載困難時(shí)可模糊施加；設(shè)計(jì)分離下件時(shí)可不考慮質(zhì)量。

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