爆炸螺栓沖擊載荷作用下的捕獲系統力學性能研究

卞亞東 宋磊 劉軒秀 劉準 王聰偉

爆炸螺栓沖擊載荷作用下的捕獲系統力學性能研究

卞亞東 宋磊 劉軒秀 劉準 王聰偉

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

本文對爆炸螺栓沖擊載荷作用下的捕獲系統（包含捕獲器、預緊螺栓）進行強剛度分析，研究捕獲系統在不同預緊力矩/同一沖擊載荷作用下的力學響應。結果表明，捕獲系統在沖擊載荷作用下，預緊螺栓、捕獲器的力學性能響應隨著擰緊力矩的變化而變化，在相同沖擊載荷作用下，40N·m擰緊力矩下的捕獲器沖擊受力面的變形量比0N·m擰緊力矩要小，同時40N·m擰緊力矩下的預緊螺栓和捕獲器根部應力水平也較0N·m擰緊力矩有所降低，局部區域已達到塑性變形，存在斷裂風險。此次分析研究為后續結構優化提供一定的數據支撐，該技術成果可直接應用于火工品連接—分離結構系統，具有廣泛應用價值。

沖擊載荷；捕獲器；預緊螺栓；力學性能

0 引言

飛行器內具有分離需求的部段間連接通常由爆炸螺栓、分離螺母等火工品實現，本文主要針對爆炸螺栓連接結構形式進行分析說明。該火工品在分離時刻通過點燃爆炸螺栓內火藥[1-2]，利用產生的高溫燃氣將螺栓螺桿剪切解鎖，實現飛行器的級間或頭體分離。在分離結構設計中，為避免分離后爆炸螺栓頭（通常安裝在下面級部段）在沖擊載荷下對上面級造成碰撞、損傷等影響，必須設置相應的控制措施，其中多余物捕獲系統是一種常見的結構形式，適用于安裝空間狹小且分離沖擊載荷較大的使用環境。典型的捕獲系統結構由一個捕獲器和兩個預緊螺栓組成，結構形式如“幾”字形，通過2個預緊螺栓安裝固定在下面級艙段殼體（或安裝基座）上，通過結構本身實現對分離多余物的捕獲，如圖1所示。彈上控制系統發出分離指令后，爆炸螺栓內火藥工作，瞬間將螺桿與螺帽剪切斷開，捕獲器捕獲分離后的爆炸螺栓頭，避免其對飛行器造成磕碰、損傷[3-4]。通過開展爆炸螺栓性能驗收試驗，測得分離沖量約30N·s，撞擊持續時間較短，約為1ms。

圖1 捕獲系統組成（半剖視圖）

本文針對爆炸螺栓起爆后的沖擊載荷對捕獲系統[5]性能的影響，開展了沖擊動力學分析研究工作，分析了沖擊-碰撞-變形-回彈全過程力學響應，驗證了該捕獲系統的捕獲性能，提前預判該系統的薄弱點，并根據分析結果提出了后續進一步優化改進措施。

1 建立模型

1.1 預緊力計算

表1 不同擰緊力矩對應的螺栓預緊力

1.2 邊界條件施加

本文采用Abaqus有限元分析軟件[6]，采用顯示分析仿真方法，對結構施加沖擊載荷來計算捕獲器的結構響應，選取簡單的螺栓連接結構驗算不同預緊力下捕獲器受沖擊載荷的響應。為減少網格數量，提升運算速度，將螺栓簡化為圓柱，真實模擬螺栓連接結構的工作環境，將各個接觸面均設為面—面接觸/有限滑移。邊界條件施加步驟如圖2所示。

圖2 邊界條件施加步驟

1.3 結構材料屬性

針對沖擊、振動的變載荷的連接使用工況，本文采用05Cr17Ni4Cu4Nb作為預緊螺栓、捕獲器材料，爆炸螺栓頭采用1Cr11Ni2W2MoV材料，安裝基座采用ZL114A材料，捕獲器通過2個M10預緊螺栓安裝在安裝基座上。通過材料手冊查得各材料性能參數見表2。

表2 模型的材料參數

2 計算結果分析

2.1 計算工況

爆炸螺栓分離沖量最大為30N·s，分離螺栓頭（下面級）質量為0.71kg，根據公式=/=30/0.71=42.3m/s，計算工況為當預緊力為0N，以及23800N時，爆炸螺栓頭速度均為42.3 m·s-1。

2.2 計算結果

根據計算工況[7]，分析捕獲器結構力學特性，給出爆炸螺栓運動位移最大時刻捕獲器及預緊螺栓的應力和應變云圖，見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，40N·m擰緊力矩下，捕獲系統最大應力和最大應變均出現在預緊螺栓根部區域，應變值已達26.7%，進入塑性應變，捕獲器根部最大應變高達4.0%；0N·m擰緊力矩下，捕獲系統最大應力和最大應變也均出現在預緊螺栓根部區域，應變值已達28.3%，進入塑性應變，捕獲器根部最大應變高達4.93%，兩種工況下捕獲系統均已進入塑性變形，在不增加系統緩沖裝置[8]的前提下存在斷裂風險。取捕獲器受沖擊受力面和預緊螺栓根部應力變化較大的節點為對象，輸出該節點處應力隨時間變化曲線，見圖5。

圖3 最大應力云圖

圖4 最大應變云圖

由圖5可知，不同擰緊力矩下捕獲器在承受爆炸螺栓沖擊載荷作用時，其應力變化是隨時間震蕩。經濾波后可以看出，捕獲器和預緊螺栓在沖擊載荷的作用下，40N·m擰緊力矩下的結構應力值普遍低于0N·m擰緊力矩工況，具體如下：捕獲器：40N·m擰緊力矩下最大應力值為810.9MPa，0N·m擰緊力矩下最大應力值為731.6MPa，前者高出后者10.84%，但隨著時長增加，兩種不同力矩下應力分布逐步平緩，40N·m擰緊力矩下中間值為364.2MPa，0N·m擰緊力矩下最大應力值為400.5MPa，后者高出前者10.0%；預緊螺栓：40N·m和0N·m擰緊力矩下最大應力值基本一致，為1300MPa，超出材料許用屈服強度，產生塑性變形，但隨著時長增加，兩種不同力矩下應力分布逐步平緩，40N·m擰緊力矩下中間值為838.8MPa，0N·m擰緊力矩下中間值為669.2MPa，前者高出后者25.3%。

圖5 應力變化曲線

取捕獲器上受力面中心節點為對象，輸出捕獲器變形量曲線見圖6。

圖6 捕獲器變形量（受力面中心）

可知捕獲器達到位移最大時刻基本一致，為6.75e-4s。40N·m預緊捕獲器對應變形為1.43mm，0N·m預緊捕獲器對應變形為1.56mm，兩者相對變化率為9.1%。同時通過位移曲線對比，爆炸螺栓在4.5e-4s時刻開始撞擊捕獲器，在6e-4s捕獲器達到最大彈性變形，隨后至6.75e-4s期間為塑性變形過程。從6.75e-4s至1.2e-3s期間捕獲器結構件做往復回彈變形，不同擰緊力矩下捕獲器變形量基本相當。從1.2e-3s后不同擰緊力矩下捕獲器結構變形量線性下降，但兩者的差值基本穩定一致，約為0.1mm。

3 試驗

為了對比研究上文分析結果，針對圖1所示爆炸螺栓+捕獲系統進行了驗證性試驗，試驗共3次，每次參試產品為4組。試驗過程中，爆炸螺栓起爆解鎖，螺栓頭沖擊捕獲系統后，引起捕獲器及預緊螺栓變形，圖7所示為參試產品試驗后典型狀態。結果表明：第1次和第3次中各出現1組參試產品發生捕獲器或預緊螺栓在根部發生斷裂現象，結合前期沖擊動力學仿真分析，其塑性變形趨勢、斷裂模式與分析結果基本一致。

圖7 爆炸螺栓沖擊后捕獲系統狀態

4 結論

本文針對不同擰緊力矩下的捕獲系統承受沖擊載荷作用下的力學性能進行分析研究，得出以下結論：1）40N·m擰緊力矩下的捕獲系統受沖擊載荷作用下應力和應變響應比0N·m條件下的要低，同時40N·m擰緊力矩下的捕獲器受沖擊受力面變形量也比0N·m條件下的要小。2）捕獲器受沖擊受力面在沖擊載荷作用下做往復震蕩變形后趨于平穩，在此期間不同力矩下的捕獲器變形量基本相當。3）純剛性結構件用于承受沖擊載荷作用風險較大，捕獲器和預緊螺栓根部應力值較大，已進入塑性變形，存在斷裂可能。

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Study on Mechanical Properties of Capture System under Impact Load of Explosion Bolt

BIAN Ya-dong SONG Lei LIU Xuan-xiu LIU Zhun WANG Cong-wei

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076, China)

The strength and stiffness of the capture system (including the capture device and the pre-tightening bolt) under the impact load of explosive bolt are analyzed. And the mechanical response of the capturing system under different pre-tightening moments/the same impact load is studied. The results show that the capturing system under impact load, pre-tightening bolt and catcher change with the change of pre-tightening torque, and under the same impact load, 40N·m torque to capture the impact force under the deformation is smaller than 0N·m torque, at the same time under 40N·m torque pre-tightening bolt and the capture of the root stress level is 0N·m torque decreases, the local area has reached the plastic deformation or even fracture risk. The technical achievement can be directly applied to the connecting separating structure system of initiating explosive devices, and has wide application value.

Impact load; Capture system; Pre-tightening bolt; Mechanical properties

TH122,V416.5

A

1006-3919(2021)04-0026-04

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.005

2021-05-21；

2021-06-28

國防基礎科研項目（JCKY2016203B032）

卞亞東（1989—），男，工程師，研究方向：導彈結構總體設計；（100076）北京9200信箱1分箱-1.