爆炸螺栓分离动力学仿真分析研究

王宗伟，吴宏伟，杨 康，董威利，常志鹏



爆炸螺栓分离动力学仿真分析研究

王宗伟，吴宏伟，杨 康，董威利，常志鹏

（空间物理重点实验室，北京，100076）

为了避免爆炸螺栓分离解锁后引发高速冲击破坏及爆炸螺栓可能沿对接孔回弹的问题，在爆炸螺栓盒内设计挡片、弹簧片、缓冲块结构来降低爆炸螺栓盒受到的冲击，同时弹簧片上的耳片结构在爆炸螺栓回弹时对其卡滞防止爆炸螺栓突出分离面。采用ABAQUS显示动力学软件对爆炸螺栓通过弹簧片、最后撞击到缓冲块的过程进行动力学仿真分析，定量分析了挡片、弹簧片对爆炸螺栓冲击速度的影响，对冲击载荷下爆炸螺栓盒体强度进行评估，并开展爆炸螺栓收纳试验验证。结果表明：所设计的爆炸螺栓盒能够实现对爆炸螺栓的有效收纳，其盒体结构强度能够满足冲击载荷下的使用要求。

爆炸螺栓；分离冲击；弹簧片；动力学仿真；收纳试验

0 引 言

分离装置作为飞行器的关键部件，是否正常工作直接影响到飞行任务能否顺利完成。目前常用的连接分离装置动力源以火工品为主，如爆炸螺栓、爆炸螺母、各类火工锁及火工分离推杆等火工分离装置[1]，其中高冲击爆炸螺栓在航天弹箭体结构分离方面的应用最为广泛[2~7]。吴艳红等[8]采用非线性有限元软件LS-DYNA，模拟剪切式爆炸螺栓中炸药爆炸及爆炸冲击波对爆炸螺栓盒的破坏作用，校核盒盖的动强度；柳征勇等[9]利用工程热力学理论计算了运载火箭整流罩分离用爆炸螺栓的冲击力，同时运用动力学响应分析的直接积分法和NASTRAN有限元程序对整流罩在16只爆炸螺栓起爆分离下引起的弹射筒锁紧销动载荷进行了仿真分析；王军评等[10]以典型爆炸螺栓连接结构为对象，分别建立了爆炸过程、应变能释放过程、撞击过程的数值计算模型，对分离过程中3种不同物理过程及其诱发响应的机制进行了分析，讨论了不同阶段不同区域内的结构响应特征；曹乃亮等[11]为模拟空间火工分离保护装置冲击载荷下的动力学特性，将保护装置分别采用2A12、TC4、蜂窝夹层材料，建立了3种材料的多线性本构模型，并采用显式动力学理论分析其冲击响应特性。

在爆炸螺栓分离解锁过程中会产生活动产物，因此必须对活动产物加以可靠约束，否则活动产物会形成随机运动对分离体产生不良影响或破坏，如活动产物突出分离面可能会造成分离干涉影响正常分离，甚至导致飞行失败[4]。因此，在航天弹箭体中通常设计有爆炸螺栓盒结构对分离后的爆炸螺栓进行收纳保证分离可靠性，避免爆炸螺栓对弹箭体结构造成破坏。因此，爆炸螺栓盒结构设计成为分离方案设计过程中的关键环节。但在设计过程中普遍依赖反复试验对爆炸螺栓盒方案进行摸索，对爆炸螺栓盒工作过程的理论分析较少。

本文利用动力学仿真方法并结合理论计算对爆炸螺栓收纳的过程进行系统的计算分析，并开展爆炸螺栓收纳试验对设计方案及仿真分析结果进行验证。

1 结构模型

针对爆炸螺栓分离解锁后可能产生高速冲击破坏及爆炸螺栓沿对接孔回弹的问题，在爆炸螺栓盒内设计挡片、弹簧片、缓冲块结构，通过挡片、弹簧片、缓冲块三重缓冲作用有效降低对爆炸螺栓盒体结构的高速冲击，避免冲击载荷给爆炸螺栓盒壳体造成破坏。弹簧片上的耳片结构，一方面通过撞击和摩擦降低爆炸螺栓的运动速度；另一方面爆炸螺栓回弹时耳片可对其卡滞，避免爆炸螺栓沿对接孔回弹突出分离面导致分离干涉风险。爆炸螺栓盒结构示意如图1所示。

图1 爆炸螺栓盒结构示意

爆炸螺栓盒的工作原理为：爆炸螺栓分离解锁后与螺母在高量级冲击作用下一同向爆炸螺栓盒内正向运动，依次通过挡片、弹簧片的阻碍，经过缓冲块的缓冲作用后爆炸螺栓与螺母的动能迅速下降，当缓冲块被压缩到极限后爆炸螺栓与螺母产生回弹，当运动至弹簧片时被弹簧片上的两个耳片卡滞，最终停留在爆炸螺栓盒内，从而实现对爆炸螺栓的可靠收纳。其中，挡片用于爆炸螺栓分离解锁前固定爆炸螺栓及螺母，挡片通过2颗M3的螺钉固定在爆炸螺栓盒盒体结构上，分离解锁后在爆炸螺栓与螺母的冲击作用下固定挡片的2颗M3的螺钉被剪切断。

2 动力学仿真分析

爆炸螺栓盒工作中涉及的运动过程较为复杂，通过工程算法难以对整个运动过程的参数进行准确计算。因此，本文利用动力学仿真方法并结合理论计算对爆炸螺栓收纳过程进行系统的分析。对爆炸螺栓运动过程分析主要集中在两方面：a）最大分离冲量下爆炸螺栓盒结构强度能否满足要求；b）最小分离冲量下爆炸螺栓能否正向通过弹簧片而不被卡滞，在最大、最小分离冲量下均能实现可靠收纳。

2.1 冲击载荷分析

爆炸螺栓正常工作过程中分离冲量B最大值为18.5 N·s（即分离后的爆炸螺栓单独运动的冲量），最小值为8.5 N·s。由于爆炸螺栓分离解锁后与螺母一同正向运动，为了得到爆炸螺栓和螺母的初始动能0，认为爆炸螺栓与螺母二者获得的总动能与爆炸螺栓单独获得的动能相等，即：

结合动量定理，即：

2.2 挡片作用分析

连接螺钉的材料为45号钢，其拉伸屈服强度为315 MPa，对应的剪切强度为315×0.577=182 MPa，则按偏保守假设计算，剪断一颗螺钉所消耗的能量为

式中 为两段螺钉分离距离；为图2中阴影面积（即上下两段螺钉重叠面积）；r为螺钉半径。

按式（4）可得，当分离冲量为最大值18.5 N·s时，爆炸螺栓和螺母的剩余动能为605.7 J，爆炸螺栓和螺母的速度降低到51.88 m/s，与初速度52 m/s相比降低了0.2%。剪切挡片连接螺钉对爆炸螺栓的运动速度影响很小，可以忽略。因此，下面的动力学仿真计算忽略挡片的影响，仅对爆炸螺栓通过弹簧片、撞击缓冲块进行分析。

2.3 弹簧片作用分析

弹簧片在爆炸螺栓分离解锁后正向运动时对其造成阻碍，给爆炸螺栓的动能带来一定损失。弹簧片结构尺寸的设计应该保证爆炸螺栓及螺母顺利通过弹簧片后能够继续向螺栓盒内正向运动。弹簧片的材料选择为弹簧钢，其材料性能如表1所示。

表1 弹簧片材料性能

Tab.1 Material Property of Flake Spring

弹性模量/GPa泊松比屈服极限/MPa切线模量/GPa 2060.33137.54

忽略挡片对爆炸螺栓运动速度的影响，以2.1节计算出的爆炸螺栓和螺母的初始动能0作为计算的初始条件，利用ABAQUS软件对爆炸螺栓及螺母撞击弹簧片的过程进行数值仿真分析。在最小分离冲量8.5 N·s的工况下，弹簧片能够吸收部分爆炸螺栓的动能，使爆炸螺栓和螺母的速度有所降低，但爆炸螺栓和螺母能够顺利通过弹簧片，不会对爆炸螺栓和螺母的正向运动造成卡滞，爆炸螺栓和螺母通过弹簧片后的速度下降到21.1 m/s，此时爆炸螺栓及螺母的运动情况及速度曲线如图3所示。在最大分离冲量18.5 N·s的工况下，爆炸螺栓和螺母撞击弹簧片后速度降至50.1 m/s。

图3 分离冲量8.5N·s时爆炸螺栓撞击弹簧片的速度

2.4 爆炸螺栓盒体受力分析

爆炸螺栓分离冲击载荷较大，为了避免爆炸螺栓盒盒体结构被破坏，在爆炸螺栓盒内设计有缓冲块，当爆炸螺栓及螺母通过弹簧片后会撞击在缓冲块上。缓冲块受到撞击后发生塑性变形吸收掉爆炸螺栓及螺母的大部分动能。经过缓冲块的缓冲后，爆炸螺栓的冲击载荷传递给爆炸螺栓盒盒体，采用ABAQUS软件对最大分离冲量18.5 N·s条件下的爆炸螺栓盒盒体受力情况进行计算分析，具体结果如图4、图5所示。

图4 A位置应力

图5 B位置应力

爆炸螺栓盒盒体的材料为铝合金，其材料性能如表2所示。缓冲块材料为聚四氟乙烯，其材料性能如表3所示。

表2 盒体材料力学属性

Tab.2 Material Property of Explosive Bolt Box

材料弹性模量/GPa泊松比强度极限/MPa屈服极限/MPa 铝合金700.3290240

表3 缓冲块材料力学属性

Tab.3 Material Property of Bumper Block

材料弹性模量/GPa泊松比压缩强度/MPa 聚四氟乙烯80.90.312.6

计算结果显示，壳体结构上存在2处高应力区域，分别为爆炸螺栓盒底部A位置（应力云图如图4a所示）、爆炸螺栓盒侧壁与盒底部交接处B位置（应力云图如图5a所示）。

图4b给出了A位置撞击时的应力-时间曲线，图5b给出了B位置撞击时的应力-时间曲线。根据应力-时间曲线可知，A、B位置2个区域在0.1 ms、0.2 ms时，应力均达到各自峰值。其中，A位置在0.1 ms时局部最大应力为187 MPa，B位置在0.2 ms时局部最大应力为183 MPa，均小于盒体材料的强度极限，爆炸螺栓盒盒体强度满足冲击载荷下的使用要求，不会发生破坏。

3 试验验证

在动力学仿真分析的基础上，开展爆炸螺栓收纳试验对爆炸螺栓盒收纳的有效性以及爆炸螺栓盒盒体结构强度能否满足要求进行了考核，同时对动力学仿真分析结果进行验证。试验中采用气炮冲击加载的方法来模拟爆炸螺栓分离冲量，将分离冲量加载到爆炸螺栓螺杆上，爆炸螺栓盒试验件通过螺栓连接固定在工装上，试验具体加载方法如图6所示。

图6 试验加载方法示意

试验过程中根据爆炸螺栓工作情况，在最小分离冲量8.5 N·s到最大分离冲量18.5 N·s间选取5种典型工况开展试验验证工作，5种典型工况涵盖了最小分离冲量8.5 N·s和最大分离冲量18.5 N·s。在所有工况的试验中，爆炸螺栓盒均实现对爆炸螺栓的可靠收纳。爆炸螺栓最终停滞在爆炸螺栓盒内，爆炸螺栓回弹时能够被弹簧片上的耳片结构所卡滞，从而避免爆炸螺栓突出分离面的可能。试验过程中5种典型工况的收纳结果基本一致，爆炸螺栓收纳情况如图7所示。爆炸螺栓真实产品经可靠性试验验证其分离冲量不会超出8.5~18.5 N·s的范围，本次试验工况能够覆盖真实产品的分离冲量，该爆炸螺栓盒能够实现对爆炸螺栓的可靠收纳同时保证盒体结构不发生破坏。

图7 收纳试验结果

图8 A位置应力测量结果

将最大分离冲量18.5 N·s工况下的仿真结果（见图4）和试验测量结果（见图8）进行对比，爆炸螺栓盒底部（A位置）的最大应力基本一致，偏差很小，而二者的应力随时间变化曲线有所区别。为了更清晰地显示爆炸螺栓撞击盒体后的应力响应，图4中仅显示了爆炸螺栓撞击到缓冲块及盒体前后0.5 ms的应力响应，A位置应力分别在0.1 ms、0.2 ms和0.3 ms处出现峰值。在试验测量结果图8中对爆炸螺栓从分离开始到撞击缓冲块后静止的15 ms内的应力情况进行测量，由于采集设备、数据滤波等因素的影响，未精确显示出爆炸螺栓撞击到缓冲块及盒体前后0.5 ms的应力响应。但从仿真结果和试验数据的对比来看，二者的最大应力值基本一致，且应力变化趋势也基本吻合，不影响对仿真计算分析结果的验证。

4 结 论

本文采用显示动力学软件并结合理论工程计算对爆炸螺栓通过挡片、弹簧片、最后撞击到缓冲块的全过程进行动力学仿真分析，定量分析了挡片、弹簧片对爆炸螺栓冲击的影响，并对冲击载荷下爆炸螺栓盒体强度进行评估，并通过爆炸螺栓收纳试验对设计方案及仿真分析结果进行验证，结论如下：

a）爆炸螺栓盒中的挡片、弹簧片、缓冲块结构有效降低了对爆炸螺栓盒体的高速冲击，其中剪切断挡片连接螺钉的过程对爆炸螺栓运动速度影响很小，可以忽略；弹簧片结构能够使爆炸螺栓的速度有所下降，同时在爆炸螺栓回弹时能够对其卡滞而不突出分离面；在最小分离冲量8.5 N·s到最大分离冲量18.5 N·s之间，爆炸螺栓盒均能实现对爆炸螺栓的有效收纳。

b）在最大分离冲量18.5 N·s工况下，爆炸螺栓盒体局部实测最大应力为189 MPa，低于盒体材料的强度极限，爆炸螺栓盒结构强度满足冲击载荷下的使用要求。

c）利用ABAQUS软件动力学仿真并结合理论计算方法，能够很好地实现对爆炸螺栓整个收纳过程的计算分析，分析结果与实际试验结果基本一致，该方法可以为后续工程设计提供参考。

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Research on the Dynamics Simulation of the Explosive Bolt Separation

Wang Zong-wei, Wu Hong-wei, Yang Kang, Dong Wei-li, Chang Zhi-peng

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076)

In order to avoid the damage brought by high speed shock and the interference brought by rebound of the explosive bolt after separating, a baffle, a flake spring and a bumper block are introduced into the explosive bolt box to depress the high speed shock. The flake spring uses two ears to baffle the explosive bolt so that it cannot protrude the separation interface. The total process of the explosive bolt passing through the flake spring and striking the cushion block is simulated dynamically with ABAQUS. The impact of the baffle and the flake spring on the shock speed of the explosive bolt is analyzed quantitatively. The strength of the box under the shocking load is evaluated. And the capture experiment is carried on. The results show that the explosive bolt box can capture the strong shocking explosive bolt in effectively, and the structure strength of the box can satisfy the needs under the shocking load.

Explosive bolt; Separation shock; Flake spring; Dynamics simulation; Capture experiment

1004-7182(2018)01-0111-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20180122

V421.7

A

2017-09-05；

2017-09-28

王宗伟（1985-），男，工程师，主要研究方向为飞行器动力系统设计