近程防空導彈絕緣氣路接頭的結構設計

陳珂， 孔永芳， 符曉剛， 王一波

(1.中國航天科技集團公司 紅外探測技術研發中心， 上海 201109；2.上海航天控制技術研究所， 上海 201109)

0 引言

對現代近程制導武器而言，導引頭成像模塊正常工作溫度往往低于-100 ℃，同時芯片及電子艙等發熱器件溫度上升過快，導致絕大多數近程制導武器型號均配備彈上制冷氣瓶。自導彈發射直至擊中目標的這段時間，制冷氣瓶向成像模塊等需要降溫的部位輸入高壓氮氣，以穩定各個模塊的工作溫度。林樂剛等對彈上氣路單向閥失效問題進行了研究，該單向閥由閥體、閥蓋和膜片組成，均使用金屬材料。陳青山設計了一套近程防空導彈的制冷氣路，其中氣瓶、氣管及各連接件均采用金屬材料。閆大同設計了一款掃地汽車用氣路系統，其氣瓶引出氣路和吹氣口之間的連接件均使用金屬材料。傳統彈上氣瓶為鋼制，有多個輸出口，每個輸出口對應不同發熱模塊，發熱模塊和氣瓶間通過金屬氣管相連。純金屬制冷氣路會帶來隱患：彈上各個模塊理應相互絕緣，但在彈體經歷強烈振動時，鋼制氣瓶和鋼制氣管可能會相互導通，大大降低彈上精密電子器件的可靠性。隨著可靠性技術不斷發展及相關防靜電國家軍用標準不斷完善，彈上制冷氣瓶設計要求已不再是強度達標、能夠制冷這么簡單，須在此基礎上消除純鋼制氣路帶來的安全隱患。

1 氣路接頭三維模型的建立

低空近程導彈從發射到擊中目標時間不會超過1 min，導彈未發射時由地面供氣設備進行制冷，制冷氣瓶僅當導彈發射后開始工作。由此可確定絕緣氣路接頭的設計指標為：1)通入25 MPa高壓氮氣后能夠保持1 min不漏氣；2)氣路接頭兩端相互絕緣。

為解決傳統彈上制冷氣瓶電絕緣性不好的問題，設計一款絕緣氣路接頭，置于彈載氣瓶和各個發熱模塊之間，實現各個發熱模塊間的絕緣化，如圖1所示。圖1中，氣管1、氣管2以及外殼為鋼制，絕緣套1、絕緣套2為聚四氟乙烯制。通過絕緣套1、絕緣套2使氣路接頭兩端氣管相互絕緣；通過固定氣管2并擰緊外殼，使各部件相互擠壓，從而實現氣路密閉。

圖1 絕緣氣路接頭三維模型Fig.1 Three-dimensional model of insulated gas circuit joint

傳統氣路接頭為304不銹鋼制，考慮到絕緣性、強度等因素，使用聚四氟乙烯作為絕緣材料，但同時絕緣氣路接頭帶來了強度方面的問題：1)絕緣氣路接頭能否承受極限25 MPa氣壓；2)即使能夠承受極限氣壓，不發生塑性變形，能否在極限工作氣壓下保持氣密性。針對上述兩個問題，利用有限元分析軟件ANSYS進行仿真計算。

2 網格劃分

在有限元分析中，常簡化模型以減少計算規模，提高收斂性。本文主要考察氣路接頭是否具有良好的氣密性，故將上下兩端氣管簡化。若基于三維模型并使用實體單元劃分，網格數過多，求解時會導致計算機物理內存溢出，最終運算崩潰，故需要采用平面單元進行氣密性分析。ANSYS軟件中存在3種平面單元分析方式，即平面應變、平面應力、二維軸對稱。平面應變和平面應力單元適用于板、殼類結構，不符合要求。2維軸對稱用于分析回轉體結構，即僅使用回轉體的回轉截面代替整個回轉體結構，參與有限元計算，使用2維軸對稱法默認在截面靠近回轉軸一側施加位移約束，且總單元數相比于三維單元劃分網格少得多，大大縮減計算規模。觀察三維模型可知絕緣氣路接頭除圖1(b)中外殼以外均為二維軸對稱回轉體結構，而外殼為非回轉體結構，若使用二維軸對稱進行分析，必須對外殼的結構進行簡化，本文采取的簡化思想為:采用回轉柱體結構代替非回轉體外殼結構，該回轉柱體取殼體的內切圓柱(由原殼體結構切分得到)。由于簡化后柱體結構的外壁各個部位都減薄了，抵抗高壓氣變形的能力弱于圖2殼體結構，如果簡化后結構能夠滿足強度、氣密性要求，那么真實結構一定能夠滿足。因產生接觸的結構對分析結果影響較多，故接觸結構不予改動，簡化后的模型如圖2所示。

圖2 簡化后模型Fig.2 Simplified model

生成結構單元之前需要指定各部件的材料及其對應的力學性能參數。絕緣套1、絕緣套2的材料為聚四氟乙烯，其余部件的材料均為結構鋼。材料的力學性能參數如表1所示。

表1 材料力學性能參數Tab.1 Mechanical property parameters of materials

因10節點四邊形SOLID183單元含有中間節點，其形函數為高階(節點解更加精確)，故本文選用183單元劃分實體網格。采用映射網格劃分形式，網格劃分效果如圖3所示。

圖3 網格劃分效果Fig.3 Meshing

3 建立接觸

3.1 摩擦接觸的設置

圖4 摩擦接觸的設置Fig.4 Settings of frictional contact

二維模型導入有限元分析軟件Workbench后，設置如圖4所示的摩擦接觸。目標面和接觸面的選取原則如表2所示。

表2 接觸單元設置原則Tab.2 Setting principles of contact units

圖4中共有5對摩擦接觸、2個滲透點，滲透點表示本結構可能發生初始流體滲漏的位置，圖4中僅有2處位置可能發生初始流體滲漏。

3.2 螺紋接觸的設置

氣管2和外殼通過螺紋進行連接，在3.1節中，氣管2和外殼間建立了摩擦接觸(接觸對5)。螺紋連接本質上屬于摩擦接觸，需要將接觸對5在摩擦接觸的基礎上轉換為螺紋連接。

在Workbench軟件中，平面單元間無法直接建立螺紋接觸，需要插入APDL命令來建立平面螺紋接觸。確定一個真實的螺紋連接需要的參數有螺距、中徑、螺牙角、螺紋長度4個參數，如圖5所示。圖5中，1點為螺紋頭部截面中心點位置，2點為螺紋尾部截面中心點位置。使用APDL語言定義螺紋連接需通過ANSYS軟件經典環境中SECDATA命令，輸入的螺紋參數如表3所示。表3中(,,)、(,,)分別為圖5中1點和2點在全局坐標系中的坐標。

圖5 螺釘和螺孔Fig.5 Screw and screw hole

表3 螺紋參數

3.3 施加預緊力

ANSYS軟件中包含在螺釘上施加預緊力的GUI命令，即BOLT. 但BOLT命令在使用時有一定限制，即：施加BOLT預緊載荷的螺釘，其螺桿部位和螺帽部位必須為2個零件，并分別加以約束；若僅為一個零件，則會造成預緊載荷施加失敗，進而造成計算的不收斂。本文無法通過BOLT命令施加179預緊單元來實現預緊，故采取了一種替代的方法。

在建立摩擦接觸和螺紋接觸后，各部件間是沒有擠壓力的。所以，如何使各部件產生擠壓力(預緊力)就成了關鍵問題。從裝配角度看，擰緊氣管2就是為了壓緊絕緣套2和氣管1，進而壓緊其余各部件；而配合面之間的壓緊本質上就是過盈配合。所以如何在各部件間產生擠壓力就變成了如何在施加接觸后，在絕緣套2和氣管1間產生過盈配合。一般而言，金屬與金屬材料過盈配合，其過盈量在10 μm左右。本文涉及到金屬材料與非金屬材料過盈配合，相關配合標準文獻較少。如果按照金屬材料配合來取過盈量，那么施加在接頭上的預緊力是很小的，必然漏氣。這里采用了工程上的經驗：因非金屬材料較軟，且裝配工人在擰緊氣路接頭的時候，其使用力大小不一，除非故意沒有擰緊，正常情況下配合面過盈量肯定大于100 μm，取40 μm已經遠小于實際情況，若在極限條件下不漏氣，則實際工況下必然不漏氣。直接在三維模型中引入40 μm的穿透量，如圖7所示，以實現絕緣套2和氣管1等部件的壓緊。

圖7 幾何穿透量引入Fig.7 Introduction of geometric penetration

通過引入幾何模型穿透的方式來產生過盈，若在過盈區域產生足夠的壓力來預緊各個部件，就必須將模型的最終穿透量降至最低，為此將接觸區域的穿透容差設置為1×10m.

4 施加邊界條件與求解

對外殼施加固定約束，以抑制各部件的剛體位移。同時，對絕緣氣路接頭中初始與高壓流體接觸的部位施加壓力滲透載荷。壓力滲透載荷是ANSYS軟件中專門用來檢驗結構是否發生流體滲漏的一種載荷，其原理如下：首先將氣路接頭進行預緊，隨后將25 MPa總載荷根據子步數劃分后，按照子步數量形成載荷步，每一載荷步的載荷=(總載荷/子步數)×載荷步序號，并按照線性規律逐步提高氣路接頭內壁的流體載荷；在逐步提高流體壓力的過程中判斷壓力滲透點處的接觸壓力和施加的流體壓力的大小，如果流體壓力大于接觸壓力，則發生滲透，接頭部件發生形變，直至接觸壓力大于流體壓力，該載荷步收斂；繼續增加流體壓力大小，直至25 MPa完全收斂。其過程可簡化為：流體壓力大于接觸壓力→發生滲透→接頭變形→接觸壓力大于流體壓力→收斂→提高流體壓力，重復此過程直至流體壓力達到25 MPa.

SFE命令的第3位為1時表示施加壓力流體；SFE命令的第3位為2時表示設置流體泄露的起始點(圖4中所示)。

將整個過程分為兩個載荷步驟：1)接觸對2由幾何穿透轉換為過盈配合，使各個部件被壓緊；2)激活圖8中的命令流，設置滲透起始點和高壓流體。

圖9 流體壓力滲透載荷Fig.9 Fluid pressure penetration load

完成上述步驟后，進行求解，求解完成后的結果如圖9所示。由圖9(a)中可以看出，25 MPa高壓流體僅分布于絕緣套2的內側，絕緣套2與氣管1、氣管2接觸部分的流體壓力均為0 MPa，表明流體未通過滲透點發生滲漏。由圖9(b)中可以看出，滲透點附近接觸壓力大于流體壓力25 MPa. 同時，從圖10中可以看到氣路接頭在承受25 MPa流體壓力時的等效應力，最大值僅為12 MPa，遠遠小于不銹鋼和聚四氟乙烯的屈服強度(345 MPa和23 MPa)。綜上可知滲透點處未發生流體滲漏。

圖10 氣路接頭等效應力Fig.10 Equivalent stress on insulated gas circuit joint

從仿真結果中可以判定，該結構在25 MPa的極限氣壓下不會發生塑性變形，并且不會發生氣體泄漏，滿足設計指標中氣密性要求。下面通過實驗來驗證絕緣氣路接頭的絕緣性與氣密性。

5 實驗驗證

根據圖1所示的三維模型，加工出絕緣氣路接頭的各個部件，裝配成一體，如圖11所示。

圖11 絕緣氣路接頭Fig.11 Insulated gas circuit joint

針對絕緣氣路接頭實物，分別開展絕緣性實驗和氣密性實驗。實驗過程如下：

1)將絕緣氣路接頭的兩端接上鋼制氣管，一端氣管通過螺母擰緊確保密閉，另一端氣管接到快速啟動測試設備(見圖12)的高壓氮氣輸出口上，確認連接無誤；

2)將快速啟動測試設備的輸入氣壓調節至25 MPa左右，并打開輸出口開關，待絕緣氣路接頭的整路氣管中充滿25 MPa高壓氬氣后，將快速啟動測試設備的高壓氣輸入口關閉，觀察輸出氣壓的變化。

圖12 氣密性實驗Fig.12 Air tightness test

在關閉高壓氣輸入口的1 min內，快速啟動測試設備輸出氣壓表盤值未發生變化，保持當前狀態繼續觀察30 min，快速啟動測試設備輸出氣壓表仍未發生變化，遠遠超過設計指標要求。實驗結果表明，該氣路接頭具有良好的氣密性，滿足氣密性設計指標。

在25 MPa高壓氣狀態下測試絕緣氣路接頭兩端的絕緣性，如圖13所示。實驗結果表明：在通入高壓氣體時，該絕緣氣路接頭兩端的電阻為∞. 另外，使用變壓器產生500 V電源，將絕緣氣路接頭與電子艙電路板串聯，再將電路板接入電源，實驗結果顯示電子艙電路板能夠正常工作,表明絕緣氣路接頭具有良好的絕緣性，滿足絕緣性設計指標。

圖13 絕緣性實驗Fig.13 Insulation test

6 結論

為解決彈上各個發熱模塊之間的絕緣性問題，本文設計了一種絕緣氣路接頭。對氣路接頭進行氣密性仿真和實驗，驗證其非金屬材料的強度及絕緣性滿足要求。仿真和實驗結果證明，該結構在極限工作壓力下同時具有氣密性與絕緣性，滿足實際工程需求。