采用包带式星箭锁紧连接装置的对接框刚度匹配性研究

2019-09-23王桂娇刘观日张登宇

导弹与航天运载技术 2019年4期

王桂娇，王斌，刘观日，张登宇，黄蔚

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

包带式星箭锁紧连接是运载火箭和有效载荷常用的一种连接方式，其通过包带式星箭锁紧装置（简称星箭锁紧装置）实现运载火箭和卫星等有效载荷对接框的锁紧和解锁功能。星箭锁紧装置主要由包带、卡块、拉簧和爆炸螺栓等组成，其结构如图1所示。对接框由卫星框和火箭框两部分组成（卫星框在下文简称上框，火箭框在下文简称下框）。锁紧时，星箭锁紧装置通过爆炸螺栓提供预紧力，卡块在预紧力作用下夹紧对接框，实现有效载荷与运载火箭的可靠连接，同时对接框作为储能结构通过变形储存一部分变形能；解锁时，爆炸螺栓分离，预紧力释放，对接框作为主要储能结构将储存的变形能释放，为星箭锁紧装置分离提供初始动能。因此，对接框刚度直接决定了星箭锁紧装置分离动能的大小，合理匹配对接框刚度是提升星箭连接和解锁可靠性的关键因素。

目前，国内外学者针对星箭锁紧装置的建模方法[1,2]、极限承载能力和轴向连接刚度等开展了一系列研究[3]，并取得一定成果[4～9]，但是关于对接框刚度匹配性的研究文献较少，对星箭锁紧装置的力学行为还缺乏足够的认识[10～14]，在以往的地面试验中就曾发生过因对接框刚度差异过大导致的分离故障。

图1 星箭锁紧装置结构示意Fig.1 Clamp Band Systems Configuration

为提高星箭连接和分离的可靠性，本文采用有限元分析和试验验证相结合的方法，重点研究了对接框刚度匹配特性的影响规律，以及解锁过程中对分离裕度的影响，并对星箭对接框提出合理的刚度匹配性要求。

1 对接框变形能参数影响分析

变形能是结构整体刚度及受力状态的宏观表征，仅与结构宏观布局、尺寸、材料性能、外载荷的大小及方向有关。故本文将变形能作为评估对接框刚度匹配特性的重要指标之一。

根据能量守恒定律，结构在发生弹性变形时外力做的功会转变为结构内部的变形能，包带施加预紧力后，对接框储存的变形能为

式中εv为变形能密度；V为对接框的体积；W外为外力做的功。

文献[9]将包带组件假设为刚体，并假设外力功全转化为对接框的变形能，用单自由度“弹簧-质量”模型，给出了施加预紧力后，对接框储存的变形能及径向初始变形公式：

式中 E为弹性模量；R为对接框等效半径；T为包带施加的预紧力；A为对接框横截面等效面积；r为施加预紧力后对接框的径向变形量。

通过式（2）可以看出对接框的变形能与对接框径向变形量的平方成正比；由式（3）可知对接框的径向变形量与包带预紧力、对接框等效半径成正比，与对接框横截面积成反比，即预紧力不变的情况下，对接框的径向变形量越大，结构储存的变形能越大。

式（1）～（3）将包带组件假设为刚体，无法反映包带组件发生弹性变形后载荷的重新分配和对结构变形情况的影响。下文将通过有限元仿真，建立包带组件和对接框的真实弹塑性模型，通过有限元分析和试验验证相结合的方法研究对接框刚度匹配特性的影响规律。

2 有限元仿真

2.1 有限元建模

本文采用有限元软件ABAQUS进行有限元仿真。为提高计算效率，进行适当简化建模，其中非线性拉簧采用Connector单元建模，并定义非线性刚度，通过施加Connector force的方式施加弹簧预紧力。建模时未考虑卫星质量的影响，有限元模型示意如图2所示，模型包括星箭对接框、包带、卡块、柱轴、爆炸螺栓、垫片和卡块连接件等。模型中所有零部件均采用六面体非协调单元建模，为提高计算精度，对卡块与对接框的接触部分建立了局部精细化模型，如图3所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Clamp Band Systems

图3 局部精细化模型Fig.3 Local Refined Model

为研究不同刚度匹配对接框在锁紧过程中对其径向变形、径向错动量（上、下框径向变形量差值）、变形能的影响规律，本文建立了两种对比模型：刚度匹配的标准机械接口模型（下文简称无梁）、对接框上框局部刚度突变模型（下文简称有梁），模型示意如图4所示。

图4 不同刚度匹配模型Fig.4 Different Stiffness Matching Model

2.2 载荷位移边界条件

对接框刚度匹配性对其径向变形、径向错动量及变形能的影响主要发生在星箭锁紧阶段，所以进行对接框刚度匹配对其变形的影响规律分析时，仅对包带的预紧过程进行分析，采用在爆炸螺栓截面处进行准静态加载螺栓力的方式模拟包带预紧力的施加过程。

研究对接框刚度匹配特性对星箭分离裕度的影响时，采用“准静态+显式非线性动力学”相结合的方法分别模拟包带的预紧力施加和释放过程。

位移边界条件为固支运载火箭有效载荷支架的下端框。

星箭锁紧装置属机构类连接结构工作时，通过各组件间接触和摩擦传递载荷。为真实模拟各组件间传力及变形，本文考虑了对接框与星箭锁紧装置各组件的材料非线性和接触非线性，包括卡块与对接框之间、包带与卡块之间、包带与卡块连接件之间、对接框对接面之间的接触和摩擦，接触对定义如图5所示。

图5 接触对定义Fig.5 Definition of Contact

2.3 有限元分析结果

图6 为包带预紧力下，上、下对接框径向变形量的极坐标曲线，从图6中可看出，有梁模型上、下框在梁支撑位置处径向变形量同时减小。

图6 径向变形量Fig.6 Radial Displacement Curve

图7 为上、下对接框径向错动量的极坐标曲线，图中直线为梁的位置，相比无梁模型，有梁模型上、下框在梁支撑处的径向错动量增大。

图7 径向错动量Fig.7 Relative Displacement Curve

图8 为两种模型的对接框变形能对比曲线，上框局部刚度突变后，对接面的整体刚度变大，在预紧力施加过程中对接框储存的变形能偏低，有梁模型上框储存的总变形能比无梁模型低6.3%，有梁模型下框储存的总变形能比无梁模型低2.5%。

图8 变形能对比曲线Fig.8 Contrast Curve of Stain Energy

从上、下对接框单位角度变形能分布规律看（见图9、图10），靠近柱轴位置对接框单位角度变形能最大，随着与柱轴距离的不断增大，单位角度变形能逐步减小。上框发生局部刚度突变后，梁附近对接框单位角度变形能降幅最大，对接框上框在该处的单位角度变形能下降量尤为明显，在梁附近降低幅度最大达16%，下框在该位置降低幅度达7%。

图9 上框单位角度变形能分布Fig.9 Contrast Curve of Stain Energy

图10 下框单位角度变形能分布Fig.10 Contrast Curve of Stain Energy

解锁过程中，对接框输出的总动能及摩擦耗散对比如图11所示，有梁模型的总动能较无梁模型低40%，摩擦耗散能较无梁模型高20%。图12为两种模型的卡块分离速度对比曲线，有梁模型卡块分离速度较无梁模型小近30%。

图11 能量对比曲线Fig.11 Contrast Curve of Energy

图12 卡块分离速度对比曲线Fig.12 Contrast Curve of Separation Speed

从图11、图12可以看出：对接框刚度差异过大，会导致星箭锁紧装置锁紧时，对接框径向错动量增大，同时储存的变形能降低；在解锁时，系统的摩擦耗散能增加，输出的总动能减少，最终导致分离裕度降低。

3 试验验证

对接框的匹配特性如图13所示，为验证对接框的刚度匹配特性，本文以某型星箭接口为基础，设计了如图 13a所示的静力试验，在对接框上框内增加支撑梁结构，在包带两端同步施加包带预紧力。试验过程中对上、下对接框的径向位移进行实时监测，监测点位置分布如图13b所示，上框测点为1、3、5、7，下框测点为2、4、6、8。