彈箭體緊固連接系統正向設計數字化技術研究

王婕 馮健華 馮韶偉 盧紅立 王帥 閆路 劉佳運

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

當今世界，信息技術創新日新月異，數字化、智能化深入發展，數字化技術已成為提升航天型號研制效率的有效工具[1-4]。“十四五”規劃和2035遠景目標綱要做出“營造良好數字生態”的重要部署，打造數字化平臺、打通數字化產業鏈、實現數字資源有效集聚，已成為當前航天型號發展的重要目標[5-6]。以導彈、火箭、衛星、飛船等為代表的大國重器支撐著我國航天運輸系統的現代化建設，而“大國重器”的崛起離不開“關鍵小器”的支撐。緊固件產品作為彈箭體使用量最大、應用最為廣泛的基礎機電產品，在國防軍工領域發揮著不可替代的作用。針對現有設計的不足，本文提出一種彈箭體緊固連接系統正向設計數字化技術，基于多約束條件下邏輯指向數字化尋優方法，將設計選用、仿真分析進行規范，通過集成緊固件產品數據庫、實際應用數據庫，實現緊固件的準確選用、可靠設計和規范安裝，提升緊固連接系統數字化優化設計能力，突破緊固件優選推送、緊固連接系統仿真計算優化布局、緊固連接系統自動化裝配等關鍵技術，有力助推新時期的航天事業“三高”發展。

1 航天緊固件設計應用現狀

緊固件是運載火箭與導彈武器中應用最廣泛、使用量最大的基礎機電產品，在總體、發動機、增壓輸送、電氣、地面、測控、制導與控制等航天各系統中均有應用[7-9]。一發運載火箭約有數十萬乃至上百萬件緊固件，緊固件的技術水平和產品質量直接影響航天型號的可靠性。緊固連接系統失效類型多，包含脆斷、松動、銹蝕、咬死等常見的失效模式[10-12]。以上失效模式的發生，主要是緊固件的設計、選擇、使用不當造成。緊固件的選用不當，主要源于以下幾個方面：

1） 當前設計師系統選用緊固件，主要依賴工程經驗和繼承性設計，工程經驗難以通過數字化表達，造成緊固件選用過程混亂、隨意、不統一，過設計或欠設計情況時有發生；當前緊固件設計過程中缺少正向設計理念，主要采用經驗公式進行設計，導致設計余量較大、設計結果不夠優化；

2） 緊固連接系統仿真分析方法不成熟、仿真分析軟件精度差，導致快速仿真計算能力較弱、建模效率低，難以匹配型號研制進度，對設計師系統的緊固件正向設計過程難以提供有力、便捷的技術支撐；

3） 緊固件產品生產量大，大量的產品實際性能數據未能有效、直接、全面地傳遞至設計師系統，不利于設計師系統準確、定量設計及輕量化評估，造成設計不規范、選用很隨意；

4） 緊固件產品在驗收、安裝、檢測等環節缺乏有效的管控手段，缺少應用評估及設計改進的數字化流程。

隨著航天事業不斷發展，武器裝備性能不斷提升，緊固件的輕量化、高性能、高可靠需求愈加突出，迫切需要對現有緊固連接系統的設計與選用過程進行升級，提升緊固件的選用準確性與規范性，解決因選用不合理、不準確而造成的緊固件應用過程中脆斷、咬死、松脫、銹蝕等痛點問題的發生，大幅提升緊固連接系統可靠性，提升彈箭可靠性。

2 彈箭體緊固連接系統正向設計數字化技術思路

彈箭體緊固連接系統正向設計數字化技術總體研究思路如下所示，該技術包含緊固件優選推送、緊固件正向設計仿真計算、緊固件裝配等三大功能模塊，各個功能模塊又基于數據庫建設、優選推送邏輯判斷、快速解析計算方法、系統建模插件、緊固件自動裝配等關鍵技術完成工具軟件開發。突破緊固件自動化選用設計技術、緊固連接系統優化布局設計技術、緊固件自動裝配設計技術等關鍵難題，對現有緊固連接系統設計技術進行數字化升級及可靠性提升。

圖1 彈箭緊固連接系統正向設計數字化技術總體思路圖Fig.1 General idea diagram of forward design digital technology of missile and arrow fastening connection system

3 基于多約束條件下邏輯指向數字化尋優方法

基于緊固件大數據庫，將“環境要求”、“防松要求”、“強度等級”、“耐蝕要求”等數十項設計輸入要素，轉化為緊固件優選產品標準的設計輸出過程，即為基于邏輯判斷的緊固件優選推送工具建設總體思路。該功能的開發是為解決緊固件自動選用、緊固件優選推送等關鍵難題。

開發緊固件優選推送工具軟件的第一步，是建立緊固件選用數據庫。緊固件選用數據庫是在CATIA緊固件模型庫的基礎上，完善緊固件全部的字段信息，包含緊固件標準號、材料牌號、性能等級、熱處理與表面處理、潤滑、庫存、生產廠家等信息。通過緊固件選用數據庫的建立，可以進行緊固件的設計、選用、裝配及后續的報表、統計、分析等功能。

開發緊固件優選推送工具軟件的第二步，是確定選用要求與選用指南，作為后續緊固件邏輯判斷、優選推送的唯一標準和依據。選用要求與選用指南可以包括緊固件的優先選用目錄以及一般選用目錄。因緊固件的安裝空間不足、優選產品庫存不足等原因造成無法選用優選目錄產品的，可以選擇一般目錄產品。

開發緊固件優選推送工具軟件的第三步，是制定嚴密的邏輯對應與邏輯判斷關系。根據設計師系統的輸入信息，如緊固件應用部位、緊固件應用環境、緊固件強度等級、緊固件螺紋要求、緊固件耐腐蝕要求、緊固件防松要求、緊固件抗疲勞要求、緊固件耐高低溫要求等等，通過層層邏輯判斷和篩選，對應輸出唯一的優選緊固件產品信息，完成緊固件優選推送過程。

開發緊固件優選推送工具軟件的第四步，是基于緊固件選用數據庫、緊固件選用要求與選用指南、緊固件優選推送邏輯判斷方法，最終集成人機界面友好、便于操作和使用的工具軟件，該軟件亦能輔助實現緊固件的信息統計、信息分析、信息篩選、信息報表功能，為型號數據分析提供有效依據。

圖2 優選推送軟件開發思路Fig.2 Development idea of preferred selection software

4 緊固連接系統正向設計仿真計算軟件開發

正向設計仿真計算軟件開發，是以快速解析計算方法為理論計算基礎，輔之以有限元計算工具，對緊固連接系統的緊固件規格、數量、緊固件類型、緊固件布局等進行系統性設計，實現結構設計最優，達到輕量化、高可靠的系統設計目標。應用場景包括部段對接、端框連接、中間框連接、縱向主承力構件（大梁、桁條）與殼體連接以及集中力擴散連接等。該功能的開發是為解決緊固連接系統自動化優化布局設計難題，在此前過設計、欠設計等現象時有發生基礎上，大幅提升設計水平，優化緊固連接系統布局。

設計師系統給定初步的結構連接形式（被連接件的材料、厚度、結構參數等）、使用環境要求、載荷工況（力的大小、方向、作用點等），以上信息通過CATIA或其他CAD格式導入緊固連接系統正向設計仿真計算軟件，緊固連接系統正向設計仿真計算軟件對其進行計算和優化，最終輸出緊固件優化布局結果，該結果通過CATIA軟件實現三維數字化生成。以上即是緊固連接系統正向設計仿真計算軟件的總體開發思路。

緊固連接系統正向仿真計算軟件開發共包含兩大方面，分別是設計數字化實現與具體軟件開發。設計數字化實現主要為確立統一的、正確的、精細的計算與校核方法，依據快速解析計算方法，該方法是目前緊固件計算領域較為廣泛選用和依照的計算方法，作為軟件開發的理論依據。具體軟件開發總共包括五步，第一步是實現緊固連接系統的參數化建模和模型導入，將結構連接形式、使用環境條件、載荷工況等通過CATIA三維建模軟件導入正向設計仿真計算軟件。

第二步是開發系統建模插件。緊固連接系統涉及螺牙匹配、接觸、摩擦等非線性特征，在螺紋擰緊過程中涉及較大變形影響，因此對系統建模的經驗和精確程度要求較高。基于此，需要開發系統建模插件，通過參數化輸入、自動建模、嵌入有限元分析軟件等步驟，實現有限元分析軟件中單一螺紋結構的快速建模和分析功能。

第三步是在精確輸入的基礎上，以VDI2230為理論計算依據，使用有限元分析計算軟件，完成對緊固連接系統緊固件的布局優化設計。

第四步是將緊固連接系統緊固件的優化布局結果通過CATIA軟件進行三維生成，實現三維數字化設計，并直接連接、導入部段裝配圖、彈箭體總裝圖。

第五步，是基于CATIA三維制圖軟件、有限元分析軟件、系統建模插件等工具，最終集成人機界面友好、便于操作和使用的正向設計仿真計算軟件。

圖3 緊固連接系統正向設計仿真計算軟件開發步驟Fig.3 Development steps of forward design simulation calculation software of fastening connection system

4.1 快速解析計算方法

VDI2230是全球比較通用的緊固件計算標準，最初發布時間為1986年，截止目前已發行30余年。運用VDI2230 標準校核螺栓總共需要14 步，涉及到近100 個計算參數，從第1 步到第8 步主要是確定螺栓型號和螺栓所需預緊力，第9步到第14步分別校核螺栓的螺桿強度、疲勞強度、螺帽螺母強度、螺紋嚙合長度、最大剪切應力、抗滑性和扭矩。單螺栓連接副的受力和軸向變形關系可用簡單的彈簧模型表示，螺栓和被連接件分別被看作受拉或受壓的彈簧。螺紋副擰緊時，產生了裝配預緊力FM，在接觸界面產生了夾緊力FK，通過被連接件的軸向工作載荷FA成比例地傳遞作用于螺栓和被連接件。作用于螺栓的部分稱為螺栓附加載荷FSA，剩余部分FPA使被夾持件松弛。分配的比例取決于連接副部件的彈性行為和載荷的施加位置，這在很大程度上決定了螺栓的加載狀態。

4.2 系統建模插件

緊固件有限元仿真分析方法，目前已有4類不同精確程度的模型：第1類模型不考慮螺栓，對接面完全耦合；第2類模型考慮對接面接觸，螺栓簡化為梁或彈簧單元；第3類模型考慮對接面和螺栓、螺母頭部受壓區接觸，螺栓簡化為相應的體，并可考慮螺栓桿與孔間接觸；第4類模型在第3類模型的基礎上，螺栓考慮螺栓完全按真實結構建模，并可考慮螺紋嚙合面的接觸。其中，第4類模型最為精確，高保真模擬了緊固件幾何特性和受力接觸情況。考慮螺紋后，螺旋型螺紋帶來了網格劃分難題問題。，許多學者對此進行了研究，現階段共有4種解決方案：。軸對稱網格模型、四面體網格模型、基于Tie方法的網格模型、基于Fukuoka和Nomura方法的網格模型。其中，基于Fukuoka和Nomura方法的網格模型建立的網格模型質量高、收斂性好，在螺紋連接旋轉松動研究問題中應用比較廣泛。

圖4 同心夾緊螺紋連接副轉化為彈簧模型Fig.4 Model of concentric clamped threaded connection pair converted into spring

圖5 常用螺紋網格模型劃分方法Fig.5 Common mesh model generation methods of screw thread

針對文中提出的螺栓連接仿真分析需求，需系統研究仿真分析過程中螺栓螺母的有限元網格劃分、單元類型選擇、分析方法選用等有限元建模分析方法，為此提出了系統建模插件開發要求，主要功能包括：1)對普通螺紋和MJ螺紋緊固件實現高保真六面體網格劃分（螺紋起始和末端除外），并對多種網格、單元、分析方法的分析精度和效率進行對比，確定準確、高效的建模分析方法；2)針對螺栓預緊和機理分析模型，確定合理的網格密度，確保網格收斂性，分析精度誤差不大于5%；3)結構形式、材料屬性、界面特性按參數化建模，生成可供分析軟件調用的*.inp文件，基于Abaqus有限元軟件實現插件的驅動調用。

5 裝配功能模塊開發

裝配功能模塊的開發主要為了便于實現自動裝配與裝配干涉檢查，實現裝配自動化、干涉檢查自動化的設計目標。為設計師系統在結構設計工作過程中，節省大量的緊固件裝配三維制圖時間，并基于數字化手段實現裝配干涉判斷，智能化設計水平進一步提升。此功能的開發是為解決緊固件選用過設計問題，螺栓、螺釘、鉚釘過長問題，并同時提高設計裝配效率，大幅節省研制成本，實現彈箭輕質化，縮短彈箭研制周期。裝配功能模塊主要包括自動裝配功能模塊與裝配工具干涉檢查功能模塊。

5.1 自動裝配功能

自動裝配功能基于CATIA三維制圖軟件，開發CATIA快速裝配插件。CATIA快速裝配插件本身包含安裝孔自動識別、緊固件快速調用、緊固件數據統計等功能。設計師系統輸入緊固件優選產品標準，基于插件的自動識別安裝孔大小、自動識別被連接件厚度等功能，依據緊固件選用要求規范進行計算，從而獲取緊固件的規格及長度，在模型中完成三維自動裝配。

圖6 緊固件自動裝配流程Fig.6 Automatic assembly process of fastener

自動裝配功能省去了設計師系統對緊固件長度的選擇過程，提高了緊固件設計與選用的規范性，有助于彈、箭體輕量化設計。通過安裝孔自動識別、三維自動裝配功能，省去了設計師系統的三維裝配制圖過程，顯著提高型號研制效率。

5.2 裝配工具干涉檢查功能

裝配完成后，結合安裝使用的約束條件（扳擰工具所需空間尺寸、緊固件裝配尺寸等），開展結構干涉檢查和裝配工具安裝空間檢查。結構干涉檢查中，自動計算相鄰安裝孔的最小距離并判斷是否滿足標準規范要求，檢查結果自動輸出，顯示“最小距離”、“參考值”等。裝配工具檢查中，導入安裝工具（如力矩扳手、普通扳手等）的三維模型，依據三維模型與結構系統的干涉性判斷安裝空間能否滿足操作要求。

圖7 安裝工具檢查Fig.7 Inspection of installation tools

6 結論

針對目前彈箭體緊固件選用混亂、隨意，缺少緊固連接系統正向設計理念，緊固件仿真分析方法不成熟、仿真分析能力較差，緊固件生產、驗收、安裝、使用過程中數字化協同能力不足等問題，本文建立了彈箭體緊固連接系統正向設計數字化技術。通過多約束條件下邏輯指向數字化尋優方法，基于緊固件數據庫、緊固件庫存信息、緊固件選用要求，將“環境要求”“載荷要求”“功能要求”等輸入信息轉化為緊固件產品標準的輸出信息，實現緊固件優選推送與報表統計功能。通過正向設計仿真計算軟件的開發，實現對緊固連接系統的緊固件規格、數量、緊固件類型、緊固件布局等的系統性設計，達到結構設計最優的目標。此外，開發了基于CATIA軟件的裝配功能模塊，實現裝配自動化、干涉檢查自動化的設計目標，緊固件智能化設計水平進一步提升。

本文突破了緊固件自動化選用設計技術、緊固連接系統優化布局設計技術、緊固件自動裝配設計技術等多項關鍵技術，解決了因緊固件選用不合理、不規范而引起的松脫、脆斷、咬死、銹蝕等痛點問題，解決了因過設計或欠設計而引起的緊固連接系統布局不優化、輕質化不足等相關問題，是對現有緊固連接系統設計技術進行數字化升級的關鍵技術，有效提升彈箭可靠性，助力彈箭降本增效。