發(fā)射箱易碎蓋分離仿真與試驗(yàn)分析

麻小明，劉馨心，史耀祖，胡建國，李 庚，薛海瑞，賈 航

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

易碎蓋是貯運(yùn)發(fā)射箱的重要組成部分，在貯存、運(yùn)輸過程中與箱體一起為火箭彈提供良好的環(huán)境，保護(hù)箱內(nèi)火箭彈不受損傷；發(fā)射時能夠迅速打開，保證火箭彈的正常發(fā)射。為減輕易碎蓋重量，提高承壓性能，確保開蓋的穩(wěn)定性，選用某新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)易碎蓋，在易碎蓋表面設(shè)置薄弱槽，使其能夠沿預(yù)設(shè)軌跡碎裂分離。李文龍等設(shè)計(jì)了一種多瓣易碎蓋，通過數(shù)值計(jì)算和沖破試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。王迪等采用有限元方法、虛擬樣機(jī)模型等對發(fā)射箱易碎蓋的承壓性能、開蓋動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析。邵慶等研究了格柵式貯運(yùn)發(fā)射箱易碎易裂蓋自動開蓋技術(shù)，利用燃?xì)馍淞鳑_破后蓋時產(chǎn)生的擾動波打開前蓋。張寶振等對發(fā)射箱(筒)易碎前蓋開蓋過程進(jìn)行了流固耦合分析。李偉等按照易碎蓋在導(dǎo)彈發(fā)射過程中的分離方式，從整體穿透式、整體拋出式和多瓣分離式等方面介紹了國內(nèi)外樹脂基復(fù)合材料易碎蓋的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究進(jìn)展。卓毅等對環(huán)氧泡沫塑料易碎蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，靜壓、燃?xì)鈩訅簺_蓋等試驗(yàn)表明，易碎蓋滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

文中基于貯運(yùn)發(fā)射箱及火箭彈技術(shù)要求，在滿足剛度、強(qiáng)度和承壓性能的前提下，對易碎蓋進(jìn)行輕量化、一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)易碎蓋的激波自動開蓋，確保火箭彈在出箱過程中不與易碎蓋發(fā)生干涉。

1 仿真計(jì)算模型

1.1 易碎蓋結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)發(fā)射箱結(jié)構(gòu)形式和尺寸，易碎蓋設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)，自動開蓋時沿著薄弱槽開裂成4瓣，其結(jié)構(gòu)主要包括薄弱槽、固定端框和分離子體3部分，易碎蓋本體結(jié)構(gòu)由輕質(zhì)發(fā)泡材料壓制而成，薄弱槽采用機(jī)械加工，如圖1所示。

圖1 易碎蓋結(jié)構(gòu)

1.2 發(fā)射箱燃?xì)饬鞣治?/h3>

通過建立非定常、雷諾平均的N-S方程，采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散，建立發(fā)射箱流場數(shù)值計(jì)算模型。易碎蓋時間-壓強(qiáng)曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，0 s時刻發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，0～8.5 ms之前，易碎蓋承受壓力為0，8.5 ms之后，壓強(qiáng)急劇上升，增加到0.094 MPa，又下降到0.087 MPa，之后上升到峰值0.129 MPa。燃?xì)饬髯饔糜诤笊w產(chǎn)生的反射激波沿箱體向前傳遞，激波傳遞至前蓋時間約為8.5 ms，10.4 ms時刻前蓋壓強(qiáng)達(dá)到峰值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，前蓋壓力指標(biāo)設(shè)計(jì)為正壓0.06～0.08 MPa，負(fù)壓承載大于0.1 MPa，可以實(shí)現(xiàn)激波自動開蓋。發(fā)射箱內(nèi)激波傳遞過程如圖3所示。

圖2 易碎蓋時間-壓強(qiáng)曲線

圖3 激波傳遞過程示意圖

1.3 有限元模型

根據(jù)流場分析結(jié)果設(shè)計(jì)了易碎蓋的結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件Abaqus/Explict顯示動力學(xué)求解計(jì)算，易碎蓋加載正壓0.06 MPa，采用Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則，刪除薄弱區(qū)的失效單元，易碎蓋開蓋過程如圖4所示，易碎蓋能夠在給定壓強(qiáng)下分裂成4瓣。

圖4 易碎蓋分裂過程仿真分析

1.4 易碎蓋破碎飛出對火箭彈的影響

前易碎蓋加載60 kPa，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，易碎蓋在16 ms時刻已經(jīng)完全展開，在26 ms時飛散1 200 mm，而火箭彈在26 ms內(nèi)僅向前運(yùn)動23 mm，因此易碎蓋飛散不會影響火箭彈發(fā)射。

圖5 易碎蓋分離示意

1.5 撞擊力分析

在激波不能打開易碎蓋的情況下，允許火箭彈撞擊易碎蓋，因此需要計(jì)算易碎蓋撞擊力，避免撞擊過程中損傷火箭彈頭部，通過分析計(jì)算，易碎蓋可在大于4 000 N作用下開啟，如圖6所示。

圖6 易碎蓋撞擊開蓋分析

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 撞擊開蓋試驗(yàn)

為測試易碎蓋所需撞擊力，用模擬工裝進(jìn)行撞擊開蓋試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果前蓋本體沿預(yù)制薄弱槽破碎，分為4瓣，試驗(yàn)過程及結(jié)果見圖7，法蘭四角100 mm×100 mm殘留凸起物最大13 mm，其余位置殘留凸起物最大高度0 mm。通過力傳感器測量系統(tǒng)并記錄前易碎蓋本體最大撞擊力為4 673 N。

圖7 撞擊開蓋試驗(yàn)

2.2 易碎蓋承壓試驗(yàn)

為驗(yàn)證易碎蓋的承壓性能，將易碎蓋安裝于專用工裝上，形成密封艙體，向艙內(nèi)充氣進(jìn)行增壓，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到0.066 MPa時易碎蓋碎裂，承壓試驗(yàn)見圖8所示。

圖8 承壓試驗(yàn)

2.3 激波開蓋試驗(yàn)

根據(jù)架測方案進(jìn)行了試驗(yàn)，測量了導(dǎo)彈發(fā)射過程中的發(fā)射箱內(nèi)壓強(qiáng)，具體測量為前部、中部、后部3個點(diǎn)，檢測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖9 撞擊開蓋試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果可知：激波在尾部測試點(diǎn)壓力為0.078 MPa,在中部測試點(diǎn)壓力為0.079 MPa,在前部測試點(diǎn)壓力為0.1 MPa。激波由尾部傳遞至前部時間約為8.75 ms，前蓋壓強(qiáng)達(dá)到峰值時刻為10.35 ms。

表1中給出了仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比，仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，易碎蓋設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

表1 仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)論

利用CFD方法對發(fā)射箱內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了易碎蓋分離邊界條件，基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了易碎蓋結(jié)構(gòu)尺寸、薄弱環(huán)節(jié)；通過有限元方法對易碎蓋進(jìn)行了分離仿真，結(jié)合撞擊開蓋、耐壓試驗(yàn)及激波開蓋試驗(yàn)等對所設(shè)計(jì)的易碎蓋進(jìn)行驗(yàn)證。仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的易碎蓋能夠在給定壓力范圍內(nèi)碎裂，實(shí)現(xiàn)激波開蓋，易碎蓋分裂后的碎片不與火箭彈發(fā)生干涉碰撞。