一種助推分離機構承載和分離仿真分析

赫志亮，劉觀日，胡振興，唐 科，宋乾強

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著運載火箭的發展，越來越多的運載火箭選擇了芯級加助推器的結構[1]。助推器和芯級之間的連接和分離通過火工分離裝置來實現，是全箭分離系統中的重要環節。目前中國的助推分離裝置主要采用爆炸螺栓、藥圈組件等火工分離裝置[2]。火工分離裝置做功的能力是基于火工品釋放出的高溫高壓氣體和爆轟波[3]，助推分離使用的傳統火工分離裝置采用火工品直接作用于起到承載作用的材料，完成承載材料的切割或拉斷，達到分離目的，產生的沖擊較大。隨著對于助推分離裝置承載能力的要求越來越高，如果仍然采用傳統的火工分離裝置的工作原理進行設計，那么所需要的火工品裝藥量也會越來越大，分離時產生的沖擊值也越來越大[4]。

高承載助推分離機構以強連接、弱解鎖為設計理念，采用機構承載，通過機構運動實現解鎖，其承載和分離功能的計算涉及接觸、摩擦、流固耦合、材料斷裂等非線性問題。同時，仿真分析難度大，往往計算結果與實際測試結果有較大差距。本文對一種高承載助推分離機構的承載強度和分離性能進行仿真分析，獲得機構的承載、分離特性，并與試驗測試結果對比。

1 高承載助推分離機構

本文研究的助推分離裝置為一種高承載的機構式助推分離裝置，結構如圖1所示，主要由滑筒，螺桿，分瓣螺母、銷軸、連接桿、剪切銷、緩沖塊、導爆索等組成。此種高承載助推分離裝置的設計以強連接、弱解鎖為設計理念。分瓣螺母[5]與螺桿通過螺紋連接進行承載，并通過滑筒進行約束，采用一個較小的約束力，完成大承載，此種承載結構設計相較傳統助推分離裝置的材料切割式爆炸螺栓結構和藥圈組件結構大大提高了承載效率。解鎖時，通過導爆索推動滑筒運動，只需要一個較小的力就能完成約束的釋放，完成分離裝置的解鎖，從而降低使用的火工品裝藥量。滑筒上的兩道密封環設計更是將火工品限制在一定空間中，防止其工作后外泄。因此，裝置擁有承載效率高、低沖擊、無污染等優點。

圖1 高承載助推分離裝置[12]Fig.1 Hinge Seрaration Nut[12]

2 仿真分析

2.1 模型簡化及分析

對裝置采用聯合建模求解技術，基于AВAQUS/EXPLICIT軟件平臺和LS-DYNA軟件平臺聯合進行裝置的仿真分析。首先進行裝置的建模，并對模型進行簡化。

靜力強度分析中，主承力部件有滑筒、螺桿、分瓣螺母、連接桿、銷軸，直接受力面位于分瓣螺母和螺桿。螺母與連接桿之間由螺紋傳力，連接桿與分瓣螺母之間由銷軸受剪傳力，分瓣螺母與螺桿之間由螺紋傳力。起爆裝置不參與載荷的傳遞，故而刪除導爆索、剪切銷等元件；為提高網格質量，將分瓣螺母上以減重為目的建立的不規則切面復原；為了能夠將模型進行1/4對稱簡化，沒有為螺紋設置升角。

為了提高工作效率，模型簡化后在材料、幾何、載荷等方面都滿足對稱條件，故而采用模型的1/4進行仿真分析。在螺桿、滑筒的切面上施加對稱約束，連接桿端部設置完全固定約束。根據靜載工況，在 1/4模型的加載球頭上沿y軸負方向施加載荷。

動力學仿真中，主要關心裝置在設計預緊力工況下解鎖、分離、捕獲的過程，關鍵部件為滑筒、分瓣螺母、螺桿、導爆索、空氣、球頭球窩結構等。在靜力強度分析的模型簡化基礎上，由于分離過程涉及到炸藥爆炸對結構的影響，需要用流固耦合的方法進行求解，所以要在爆炸作用的區域內建立空氣模型，空氣模型應覆蓋炸藥作用區域，而由于本文采用流固耦合的方法，空氣網格與結構體網格在空間上允許有重疊的部分。剪切銷的剪切面很小，直接拉低了實體網格尺寸而使得計算量大大增加，同時滑筒和螺桿也因開孔而導致的網格質量不高，故利用最大剪應力理論將剪切銷及所處位置的孔刪除，而銷釘的存在有限制滑筒軸向位移的作用，因此本文將其等效為對滑筒施加的均布反作用力。另外，由于實際模型中，銷釘破壞后不會繼續對滑筒產生阻力，所以進行單獨仿真模型獲得銷釘破壞時的剪位移，以此判定該載荷的卸載時間[6]。根據炸藥傳爆速度計算出導爆索傳爆所需時間約為40 μs，這相對于毫秒量級的分離時間來說可以忽略導爆索傳爆過程對分離過程的影響，因此近似認為爆炸載荷滿足對稱條件，進而將模型進行 1/4對稱簡化。

2.2 靜強度仿真結果分析

采用經過簡化的1/4裝置模型進行靜強度仿真。對于該簡化模型，使用六面體單元進行有限元網格劃分，主傳力零件分瓣螺母的網格數量為44 460個，螺桿為36 682個，最小網格尺寸達0.97 mm。裝置的零部件的材料及參數見表1。

表1 材料參數Tab.1 Material Parameters

在法蘭盤、螺桿、滑筒的切面上施加對稱約束，連接桿端部設置完全固定約束。根據靜載工況，在1/4模型的加載球頭上沿y軸負方向施加載荷。

裝置在軸向設計載荷（3000 kN）下結構各部分的應力分布云圖如圖2所示。

圖2 高承載助推分離裝置應力分布Fig.2 Stress Chart of Hinge Seрaration Nut

工程上常用 Mises等效應力與材料屈服極限對比來衡量材料是否能滿足要求，由圖2可知，在設計載荷下，滑筒、法蘭盤中的應力幅值最高值遠小于材料屈服極限，滿足承載要求；分瓣螺母、螺桿、連接桿在局部存在點狀、帶狀危險應力，屬于前處理引起的應力集中。在模型前處理中，為了便于仿真，將模型的部分導角進行了簡化，從而導致這些點狀、帶狀危險應力區域。在實際情況中只將導角部分加工精細，即可避免整體 Mises應力低于材料屈服極限，因此這些零部件均符合承載要求。銷軸受剪切位置局部進入塑性強化階段，產生最大2%的塑性變形，故銷軸為該分離裝置承載的相對薄弱環節。銷軸雖然有局部塑性變形，但不影響其承載能力，也不影響其正常工作，因此銷軸符合承載要求。

2.3 分離過程仿真結果分析

2.3.1 分離過程特性分析

同樣采用1/4簡化模型進行分離過程仿真分析，空氣網格與結構體（滑筒、螺桿）網格尺寸之比大于1/2，以免發生流體物質的滲漏現象。在滑筒、螺桿、空氣、炸藥等對稱面上的節點施加對稱約束，連接桿端部設置完全固定約束。根據分離時裝置承載工況，在 1/4模型的加載球頭上沿y軸負方向施加預加載載荷。

分離階段開始后，兩根導爆索同時起爆推動滑筒運動切斷預置的2個銷釘并解除對分瓣螺母的徑向限位，分離裝置在設計分離載荷下實現分離[7]。基于非線性顯示動力學平臺[8]，采用多物質流固耦合方法，仿真計算了炸藥起爆后結構的分離過程[9]，具體包括：炸藥起爆、推動滑筒運動以實現對分瓣螺母的解鎖、緩沖塊捕捉滑筒、分瓣螺母以銷軸為支點張開，從而實現分瓣螺母與螺桿的分離。裝置的解鎖依靠火藥爆炸提供能量，在工作過程中會產生很大的沖擊載荷[10,11]。為分析分離裝置的分離沖擊響應特性，輸出臨界解鎖藥量下鉸鏈處的加速度歷程曲線如圖3所示。從圖3可知，加速度分別在t=0、t=0.6 ms、t=1.5 ms附近時出現3個峰值，且第3個峰值最大。結合動力學仿真結果的裝置運動時間可知，前2個峰值是由炸藥爆炸引起的，即單純的火工沖擊，合加速度僅為 130g；第 3個峰值是由衰減的火工沖擊以及滑筒與緩沖塊的撞擊共同引起的，合加速度峰值為327g。

圖3 鉸鏈處的加速度歷程曲線Fig.3 Acceleration Curve of Hinge

2.3.2 分離載荷對臨界分離藥量的影響分析

分離階段開始后，兩根導爆索同時起爆推動滑筒運動解鎖，分離裝置在分離載荷下實現分離。因此分離載荷是關系到分離裝置分離性能的重要參數，直接關系到裝置的解鎖藥量。通過對不同分離載荷工況下裝置的臨界解鎖藥量進行仿真，并根據仿真分析結果擬合出分離載荷與臨界分離藥量之間的關系。通過仿真分析，設計分離載荷（980 kN）下分離裝置的臨界解鎖藥量為2.0 g/m，線性地選取659 kN、820 kN、1141 kN以及1302 kN 4個分離載荷，分析分離裝置在不同分離載荷下進行單導爆索單點起爆工況下的臨界解鎖藥量，并嘗試擬合出臨界藥量與分離載荷之間的關系。

綜合分析分離裝置在單導爆索單點起爆工況下，在不同分離載荷時，所需要的臨界解鎖藥量，對應情況如表2所示。

表2 分離載荷與臨界解鎖藥量關系Tab.2 Relation of Load and Unlocking Dosage

由表2中數據可以發現，隨著分離載荷的增大，分離裝置所需臨界解鎖藥量呈線性增加，將數據擬合可得臨界解鎖藥量趨勢，如圖4所示。

圖4 分離載荷大小與臨界解鎖藥量關系Fig.4 Relation of Load and Unlocking Dosage

3 靜力承載試驗

為驗證高承載助推分離裝置原理樣機的承載能力，對裝置進行軸壓承載試驗。試驗時上、下兩邊界采用剛性邊界與原理樣機連接，采用應變片在承載關鍵位置貼片，并通過導線將應變片與測試系統相連。

本試驗采用的試驗設備為1000 t大型作動器系統（用于施加載荷）和東華DH-3820靜態應變測試系統（用于裝置應變測量）。加載采用分級加載，共分10級，每級增加10%設計載荷，并設置了第11級，用于驗證裝置在大于設計載荷的工況下的承載能力。考慮到工裝的承載能力，第 11級的加載載荷定為400 t。

試驗共進行了 3次，均采用逐級加載的方式，第1次與第2次加載分別加載至250 t與300 t，第3次加載至400 t，對這3次靜力試驗的結果進行分析：

a）第3次加載至400 t時，試件與工裝均無可見損傷，裝置未出現破壞或失穩，說明裝置的承載能力不僅滿足設計要求，并且承載裕度較大。

b）3次試驗各個測點的受力曲線走向基本一致，螺母外側應變曲線在400 t加載過程中部分測點出現先增大后減小，然后再增大的情況，而250 t和300 t加載時沒有出現。分析認為是由于在加載400 t時剛開始受力不均勻，局部受力過大導致，隨著加載繼續，加載趨于均勻，各個點的數值恢復線性。

c）分別對3次加載過程中相同載荷下的應變值進行對比，發現1～12號螺母右側應變、中間應變、左側應變的數值基本相當，但是不同螺母測點應力曲線的分散程度不同，分析認為是每次加載時，由于加工公差、工裝情況等因素會存在一定的加載不均勻性，導致不同的螺母的實際受載會略有偏差。

經過分析，3次靜力試驗的一致性總體較好。再將試驗結果與仿真結果進行對比。由于在進行靜力承載試驗時，受力最惡劣的地方位于試驗件內部，無法進行貼片，選取能夠貼片的受力情況較惡劣的位置試驗結果與仿真分析結果進行對比分析。選取仿真分析中350 t受載工況下螺桿內側應變測點，即螺桿的受力危險點進行對比。根據仿真分析結果，此點的最大應力約為1235 MPa。再在試驗結果圖的相應位置取相應載荷下的應變最大值，乘以材料的彈性模量，得到對應的應力約為1226 MPa，與仿真分析結果僅差0.8%。

對此結果進行分析，采用試驗最大值與仿真分析結果最大值進行對比，試驗結果與仿真結果僅差0.8%，說明仿真結果與考慮了試驗件加工、試驗工裝、加載等實際情況帶來的加載不均勻性后的受力最惡劣情況的結果一致性較好。

4 結 論

本文針對助推分離裝置承載要求日益增大的需求，介紹了一種高承載助推分離裝置。以強連接、弱解鎖為設計理念，采用分瓣螺母作為承載結構，相較傳統的材料切割式藥圈組件結構和爆炸螺栓結構大大減少了火工裝藥量，進而減小了工作時的沖擊。采用線式分離結構完成冗余設計，大大提高產品的工作可靠性。

對裝置進行了靜強度仿真分析，研究在承載時裝置各部分的受力情況，并進行了分離過程仿真分析，研究裝置在分離過程中的特性，并分析不同分離載荷對臨界解鎖藥量的影響。進行了裝置的靜力承載試驗，證明裝置能夠承受4000 kN的拉力，對試驗結果進行分析，并與仿真分析結果進行對比，典型受力位置試驗的最大承載測量值與仿真結果一致性較好，僅差0.8%。