基于力學(xué)仿真的熱電池減重設(shè)計(jì)

孫 軼，白 旭，袁金鳳，張 毅，孫現(xiàn)忠，孫 婷，余福山，高文燕，張艷維，吳 濤

(1.海裝西安局，陜西 西安 710000；2.西安北方慶華機(jī)電有限公司，陜西 西安 710025)

1 引言

某制導(dǎo)炮彈用熱電池(以下簡(jiǎn)稱熱電池)為過(guò)載針刺激活全密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在研制過(guò)程中，全彈要求熱電池在不改變電性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下需減重5%以上(不少于50 g)，重量不超過(guò)0.8 kg，而且成本不能明顯增加。該熱電池電流大、工作時(shí)間較長(zhǎng)，電性能余度較小，活性物質(zhì)無(wú)法再減，所以只能從電堆除外的外結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的金屬材料進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。而且熱電池要承受12 000 g高過(guò)載，外結(jié)構(gòu)減重，必須慎重，進(jìn)行強(qiáng)度方面保障的前提下進(jìn)行減重。

圖1 熱電池結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of thermal battery.

2 零部件小密度材料代替的可行性分析

在進(jìn)行減重改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，最有效的方法是滿足強(qiáng)度要求下選用密度小的金屬材料。為此對(duì)密度較小的金屬材料與不銹鋼進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。通過(guò)表1對(duì)比可見(jiàn)，鋁合金由于導(dǎo)熱系數(shù)太大、熔點(diǎn)較低，性能上無(wú)法滿足熱電池要求；鎂合金由于其抗拉強(qiáng)度較差、熔點(diǎn)低，不適合該熱電池應(yīng)用；鈦合金密度小，強(qiáng)度與不銹鋼接近，熔點(diǎn)高是減重的最佳選擇。但是武器系統(tǒng)同時(shí)要求進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)，熱電池價(jià)格只有以前同類航彈、空空導(dǎo)彈類產(chǎn)品的60%左右，所以減重設(shè)計(jì)的同時(shí)要考慮經(jīng)濟(jì)性。由表1可見(jiàn)鈦合金價(jià)格太貴，切削加工困難機(jī)械加工性較差，不適合該熱電池實(shí)際應(yīng)用。所以，只好在原來(lái)不銹鋼材料不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)熱電池進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

表1 幾種金屬材料的性能及價(jià)格對(duì)比Table 1 Performance and price comparison of several metal materials.

3 組成熱電池的零部件重量分析

3.1 零部件重量分析

收集重量數(shù)據(jù)進(jìn)行排序?qū)Ρ龋瑹犭姵刂袉误w電池、鐵加熱片、隔熱元件等電性能核心件除外，對(duì)熱電池主要組成部件進(jìn)行的零部件重量由重到輕的排列見(jiàn)表2。

表2 熱電池零部件重量由重到輕的排列Table 2 Thermal battery components in descending order of weight.

建立熱電池主要零件重量排列圖，運(yùn)用質(zhì)量管理工具排列圖方法進(jìn)行熱電池零部件對(duì)熱電池重量影響的分析，排列如圖2所示，由圖2可見(jiàn)殼底重量、殼管重量、蓋板重量在金屬零件中重量排在前3位，3者重量之和超過(guò)結(jié)構(gòu)件總重量的80%，根據(jù)關(guān)鍵的少數(shù)的分析，決定對(duì)這3個(gè)零件進(jìn)行減重改進(jìn)設(shè)計(jì)。根據(jù)因果分析圖，進(jìn)行了要因分析見(jiàn)表3。

圖2 熱電池主要零件重量排列Fig.2 Structural diagramof main parts of thermal battery.

表3 熱電池減重對(duì)策表Table 3 Thermal battery weight reduction countermeasures.

3.2 殼底、殼管減重設(shè)計(jì)

通過(guò)應(yīng)用仿真，熱電池承受12 000 g發(fā)射過(guò)載沖擊時(shí)受力變形情況如圖3所示，可見(jiàn)熱電池蓋體、支耳固定部位、連接筋等部位受力較小，有減重的余地。

(a)減重前

(b)減重后圖3 減重前后承受過(guò)載時(shí)受力仿真情況Fig.3 Simulation of force under overload before and after weight reduction.

對(duì)外結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p重，但難度也大，因?yàn)楦哌^(guò)載強(qiáng)度也很重要，經(jīng)討論分析，運(yùn)用仿真方法對(duì)受力較小的部位進(jìn)行減重。對(duì)于熱電池殼管的設(shè)計(jì)，參考孫現(xiàn)忠等《不銹鋼管在熱電池殼體中的應(yīng)用研究》中進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，熱電池的殼體與蓋體之間的焊接熔深超過(guò)0.7 mm，焊縫裂開的抗拉強(qiáng)度達(dá)到12.2 MPa，電池內(nèi)部容腔的承受的強(qiáng)度能夠超過(guò)5.0 MPa，遠(yuǎn)大于熱電池工作時(shí)400 s左右內(nèi)部的最大壓力1.2 MPa。所以該熱電池的殼管采用壁厚不小于0.8 mm的不銹鋼管，有一定強(qiáng)度余度。

4 減重設(shè)計(jì)及改進(jìn)前后受力仿真

熱電池的技術(shù)要求有以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

(1)熱電池電性能余度較小，活性物質(zhì)不能再減；

(2)熱電池要承受12 000 g高過(guò)載，外結(jié)構(gòu)減重，必須慎重，進(jìn)行強(qiáng)度方面的保障前提下進(jìn)行減重。

因此，本文基于ANSYS軟件對(duì)熱電池減重前后模型進(jìn)行受力分析，預(yù)先判斷熱電池減重前應(yīng)力位置，規(guī)避應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)；減重后的熱電池減重位置的應(yīng)力是否滿足材料強(qiáng)度要求。

4.1 減重前仿真模擬

根據(jù)熱電池減重前的設(shè)計(jì)圖紙尺寸，采用solidedge建立熱電池減重前模型，并導(dǎo)入ANSYS軟件中的Static Structural模塊中，依據(jù)ANSYS軟件分析流程，對(duì)減重前熱電池建立有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，熱電池支耳等結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、熱電池各零部件之間進(jìn)行接觸設(shè)置以及載荷和約束設(shè)置。

(1)熱電池零部件材料參數(shù)。根據(jù)對(duì)熱電池應(yīng)用材料的研究分析，在熱電池零部件設(shè)計(jì)中選用了12Cr18Ni9不銹鋼材料，其特性為彈性模量7.3×1 010 N/m2，泊松比0.33，密度7 872 kg/m3。

(2)載荷。熱電池要承受12 000 g沖擊載荷。

(3)約束條件。熱電池為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱邊界條件為熱電池支耳與彈體螺紋連接，支耳與熱電池殼體焊接。

(4)仿真模擬結(jié)果分析。熱電池減重前仿真模擬分析見(jiàn)圖3。由模擬結(jié)果可知，支耳變形相對(duì)較均勻且整體變形量不大，沒(méi)有產(chǎn)生彎曲扭轉(zhuǎn)變形，最大位移量為0.11 mm。在載荷作用下支耳最大等效應(yīng)力為78.397 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度極限(520 MPa)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支耳與殼體焊接點(diǎn)以及支耳孔洞的邊緣處，這與實(shí)際情況相符。可以認(rèn)為該熱電池支耳滿足強(qiáng)度與剛度的要求且存在較大余量。由此說(shuō)明，可以對(duì)該熱電池的支耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，從而減輕自重。

在考慮熱電池工作時(shí)內(nèi)部高溫高壓、強(qiáng)度、支耳的受力分析等基礎(chǔ)上，進(jìn)行殼蓋體的材料、厚度等尺寸設(shè)計(jì)。與殼管連接處受力較小，蓋體接線柱以外的圓環(huán)部分受力較小，可以變薄，減重具體部位中找到。

4.2 對(duì)殼底、殼管的減重改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)殼底、殼管均進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，如圖4所示。

圖4 熱電池殼管、殼底減重前后示意Fig.1 Schematic diagram of thermal battery shell tube and shell bottom before and after weight reduction.

熱電池殼管、殼底、蓋板的設(shè)計(jì)改進(jìn)前后重量變化見(jiàn)表4。

表4 熱電池殼管、殼底、蓋板設(shè)計(jì)改進(jìn)前后重量變化 gTable 4 The weight change of the thermal battery shell tube,shell bottom and cover plate before and after the design improvement.

由表4可見(jiàn)達(dá)到減重目標(biāo)要求，833.2 g-56.2 g=777.0 g滿足了制定的目標(biāo)。

4.3 改進(jìn)后熱電池的受力仿真

同時(shí)，對(duì)改進(jìn)后的熱電池進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，可見(jiàn)改進(jìn)后熱電池的殼蓋體在高過(guò)載條件下，無(wú)薄弱部位，強(qiáng)度滿足要求，見(jiàn)圖3(減重后)。

根據(jù)熱電池減重后的設(shè)計(jì)尺寸，采用solidedge建立熱電池減重后模型并導(dǎo)入ANSYS軟件中的Static Structural模塊中，依據(jù)原結(jié)構(gòu)有限元分析方法建立有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，熱電池支耳減重結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、載荷及約束與原結(jié)構(gòu)相同。

由ANSYS仿真模擬分析熱電池支耳減重結(jié)構(gòu)獲得的等效位移云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖3所示。由有限元計(jì)算結(jié)果可知，減重后的熱電池整體變形與原結(jié)構(gòu)相近，最大位移量為0.12 mm，最大等效應(yīng)力為86.524 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度極限(520 MPa)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支耳與殼體焊接點(diǎn)以及支耳孔洞的邊緣處。通過(guò)比較可以看出，減重后的結(jié)構(gòu)在剛度上基本相同，數(shù)值上略有上升，但整體剛度不大(最大位移較小)，因此對(duì)剛度影響不大。在強(qiáng)度上，最大應(yīng)力增大了10.36%，因此從靜態(tài)強(qiáng)度意義和滿足產(chǎn)品重量指標(biāo)上來(lái)說(shuō)減重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)優(yōu)越。且已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并表現(xiàn)出良好效果。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)情況

5.1 地面驗(yàn)證試驗(yàn)

仿真設(shè)計(jì)后進(jìn)行了20余發(fā)減重設(shè)計(jì)后熱電池的20齒錘擊模擬試驗(yàn)、運(yùn)輸振動(dòng)、定頻振動(dòng)、2 m跌落試驗(yàn)等，試驗(yàn)后支耳均結(jié)構(gòu)完好，無(wú)明顯變形，并進(jìn)行了高低溫電性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，放電后外觀無(wú)變化，殼蓋支耳體等所有部位均未發(fā)生變形。所以減重設(shè)計(jì)改進(jìn)后的熱電池地面試驗(yàn)性能均滿足要求。

5.2 彈上試驗(yàn)考核

總體在靶場(chǎng)進(jìn)行了制導(dǎo)炮彈的飛行試驗(yàn)，共進(jìn)行30余發(fā)熱電池的搭載試驗(yàn)，熱電池在彈上飛行全程供電正常。觀察從彈上回收的熱電池工作后殘骸表明，熱電池經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)完好，強(qiáng)度滿足使用要求。

6 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)熱電池減重設(shè)計(jì)，對(duì)主要影響重量的零部件進(jìn)行小密度材料代替的可行性分析比較，由于成本及工藝性限制，無(wú)法用小密度材料替代不銹鋼材料；通過(guò)應(yīng)用質(zhì)量統(tǒng)計(jì)技術(shù)的排列圖法分析影響熱電池重量的主要零部件，在電堆、隔熱元件等無(wú)法改變，外結(jié)構(gòu)材料也難以代替的困難下，對(duì)外結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，并應(yīng)用基于ANSYS仿真軟件進(jìn)行了減重前后支耳力學(xué)環(huán)境仿真，仿真結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，然后進(jìn)行了減重改進(jìn)后產(chǎn)品實(shí)物地面模擬試驗(yàn)，地面試驗(yàn)結(jié)果滿足要求后提供總體搭載飛行，搭載飛行試驗(yàn)結(jié)果表明熱電池外結(jié)構(gòu)減重改進(jìn)后強(qiáng)度滿足使用要求。

該熱電池的減重改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用質(zhì)量統(tǒng)計(jì)技術(shù)方法及ANSYS仿真軟件，縮短了研制周期，設(shè)計(jì)改進(jìn)一次成功，滿足了技術(shù)要求。