引言

導彈/火箭等航天器多采用各種火工分離裝置完成特定的部段分離或機構驅動功能,這些分離裝置工作時可在彈/箭結構上產(chǎn)生高量級、寬頻帶、短持續(xù)時間的瞬態(tài)機械響應,形成爆炸分離沖擊環(huán)境。在沖擊過程中,外界的能量在瞬間傳遞到航天器及其部件上,所產(chǎn)生的位移、速度和加速度的突然變化有可能造成航天器結構與設備的損壞及故障,尤其是電子儀器設備和輕薄結構更容易受到爆炸沖擊的影響,從而導致航天器無法正常工作。在各國航天史上,均發(fā)生過相當數(shù)量的由爆炸沖擊引起的飛行故障。為了保證飛行產(chǎn)品的可靠性,需在試驗室通過爆炸沖擊模擬試驗對產(chǎn)品進行考核和驗證。

試驗室常使用響應板式爆炸沖擊模擬裝置進行試驗,但由于試驗結果受響應裝置、邊界條件、波形發(fā)生器等多種因素的影響,試驗控制難度大,調(diào)試周期長。為了提高試驗控制能力,縮短調(diào)試周期,本文在對響應板式爆炸沖擊模擬試驗仿真分析的基礎上,討論響應裝置、邊界條件、激勵等因素對試驗結果的影響規(guī)律,為試驗設計和指導試驗調(diào)試提供了依據(jù)。

1響應板式爆炸沖擊模擬試驗裝置

響應板式爆炸沖擊模擬裝置是試驗室常用的模擬裝置之一,其使用空氣炮加速一運動質量塊撞擊響應板,在響應板上激起近似于爆炸沖擊環(huán)境的復雜振蕩衰減波,并由工裝傳遞至產(chǎn)品上,完成對產(chǎn)品的沖擊考核,如圖1所示。參試產(chǎn)品與臺面法向一致方向受到的沖擊較大,而另外兩個正交方向的沖擊量級相對較小,可認為參試產(chǎn)品經(jīng)受了主沖方向(臺面法向)的單方向沖擊試驗考核。

2仿真分析

沖擊試驗中,一般采用沖擊響應譜作為試驗參考譜,根據(jù)譜型變化對試驗裝置參數(shù)進行調(diào)整。在ANsYs中,使用實體單元solid164建立響應板和彈丸(運動質量塊)模型,如圖2所示。在沖擊過程中,由于響應板產(chǎn)生彈塑性變形,所以建模材料采用與應變率有關的各向同性的PlasticKinematic材料模型:彈丸在本文中不考慮其動態(tài)響應,假設為剛性體,其材料屬性為剛性體材料屬性。

實際試驗中,響應板通過四個螺栓與沖擊臺臺體連接。在盡量不影響計算結果的前提下,為了盡可能簡化邊界條件,在有限元模型中選取響應板四個螺栓孔上下表面的8個節(jié)點作為支撐點,用來模擬實際的邊界條件:剛性彈丸只有初速載荷,不考慮空氣阻力:響應板和彈丸之間的接觸定義為面面碰撞接觸,彈丸會勻速撞擊響應板的中心位置。

仿真計算中,分別研究激勵脈寬、邊界條件和響應板幾何尺寸等參數(shù)變化對沖擊響應譜的影響規(guī)律。

2.1激勵與沖擊響應譜的關系

給響應板施加峰值相同、脈寬不同的半正弦激勵,激起響應板不同頻率成分的諧振波響應,計算諧振波響應所對應的沖擊響應譜,從而分析激勵脈寬與沖擊譜譜形之間的內(nèi)在關系。在保持響應板結構尺寸、邊界條件、分析步長等參數(shù)一致的基礎上,表1給出了5個峰值相同、脈寬不同的半正弦激勵脈沖,分別作用在響應板上,得到的結果曲線如圖3~7所示。

通過分析可以看出:

(1)隨著半正弦激勵的脈寬增大,沖擊響應譜高頻段的幅值呈現(xiàn)下降趨勢。

(2)隨著半正弦激勵的脈寬增大,沖擊響應譜的拐點頻率不斷減小。

由于激勵脈寬的改變對沖擊響應譜拐點頻率和高頻段響應幅值有明顯影響,實際試驗中常通過改變波形發(fā)生器來調(diào)節(jié)激勵脈寬,從而實現(xiàn)控制譜形的目的。

2.2邊界條件與沖擊響應譜的關系

在保持響應板結構尺寸、彈丸的初速/質量和幾何尺寸、分析步長等參數(shù)一致的基礎上,按照自由、簡支和固支三種支撐方式進行邊界模擬,計算結果如圖8所示。

可以看到,約束對沖擊響應譜低頻段的幅值有明顯抑制,對高頻段幅值和拐點頻率的影響不明顯,實際試驗中常通過改變響應板安裝形式來實現(xiàn)控制譜形的目的。

2.3響應板厚度與沖擊響應譜的關系

在保持邊界條件、彈丸的初速/質量和幾何尺寸、分析步長等參數(shù)一致的基礎上,分別用厚10mm和20mm的響應板仿真計算,結果如圖9和圖10所示。

可以看到,在相同約束方式下,隨著響應板厚度的增加,響應譜高頻段的幅值呈變大趨勢,低頻段的幅值呈減小趨勢,實際試驗中常通過改變響應板結構尺寸來實現(xiàn)控制譜形的目的。

3結語

通過仿真計算,對于響應板式爆炸沖擊模擬裝置,改變激勵脈寬能夠達到控制沖擊譜高頻段幅值和拐點頻率的作用:改變響應板安裝方式對沖擊譜高頻段幅值和拐點頻率的改變不大,但對響應譜低頻段幅值有明顯影響:改變響應板厚度對沖擊譜高、低頻段幅值均有明顯影響。仿真計算所得到的規(guī)律與實際試驗中的規(guī)律基本相符。通過對沖擊過程的有限元仿真計算,為設計試驗和指導試驗調(diào)試提供了依據(jù),能夠提高沖擊試驗精度,縮短調(diào)試周期。