基于爆炸螺栓开盖的箱盖运动学分析及试验

鲁伟 彭程 张华雷

摘要：针对发射箱箱盖可靠快速开启、安全分离、落点可控的设计要求，提出了一种利用爆炸螺栓開启分离箱盖的方案。在此基础上，结合各部件在分离过程中的受力特性，对箱盖的分离轨迹和受力情况进行模拟，对影响箱盖抛落距离的爆炸螺栓冲量进行参数化处理，通过 ADAMS软件对5.0～7.0 N ·s范围内的冲量变化进行连续求解，获得满足可靠安全分离判据的结果为6.0 N ·s 。最后设计并搭建了开盖试验平台，利用高速相机进行开盖过程拍摄，所得试验结果验证了该方案的可行性和模拟分析的合理性，为实际工程应用奠定基础。

关键词：箱盖设计;爆炸螺栓;运动模拟;开盖试验

中图分类号：TJ768文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0236-04

Kinematic Analysis and Experiment of the Box Lid Based on Explosive Bolt Opening

Lu Wei ，Peng Cheng ，Zhang Hualei

（Jiangshan Heavy Industries Research Institute Co.， Ltd.， Norinco Group， Xiangyang， Hubei 441005， China）

Abstract： To meet the requirements of reliable and rapid opening， safe separation and controllable position of launch box lid， a scheme of opening and separating box lid with explosive bolt was put forward. On this basis， combined with the force characteristics of each component in the separation process， the separation trajectory and force of the lid were simulated. The impulse of explosive bolt which affects the dropping distance of the cover was parameterized. The impulse variation in the range of 5.0～7.0 N ·s was solved continuously by ADAMS， and the result satisfying the reliable and safe separation criterion was 6.0 N ·s. Finally， the experiment platform was designed and built， and the high-speed camera was used to shoot the opening process. The experiment results verify the feasibility of the scheme and the rationality of the simulation analysis， which provides basis for the practical engineering application.

Key words： box lid design; explosive bolt; motion simulation; lid opening experiment

0 引言

发射箱盖是发射系统中的重要组成部分，在发射箱平时贮存时，箱盖保证整个发射箱的密封，并对炮弹起保护作用[1-2]。为保证发射任务正常进行，发射时箱盖需可靠、快速、安全开启。目前，发射箱开盖方案主要有机械开启、易碎盖技术和抛投盖技术3大类[3]。传统的机械开盖技术[4-5]机构复杂，反应时间长，机械构件需承受燃气载荷的烧蚀，并且液压系统、机电系统长期存放易故障，保养、维修费用高。近年来，以弹燃气压力波或弹头部直接撞击作为开盖动力，将复合材料箱盖吹碎或撞碎的易碎盖技术[6-8]因其结构简单、重量轻、耐烧蚀、简化发射程序等特点而备受青睐，但该技术对箱盖工艺、材料要求较高，研制周期长，且箱盖在开启、分离后落点不可控。抛投盖技术利用爆炸冲击或其他动力让箱盖开启、脱离，实用性强，能满足研发制造快节奏、低成本的要求，其中，傅德彬等[9]提出了一种低冲击弹射式发射箱前盖，以弹头与盖体的接触力作为箱盖开启和分离的动力，具有操作快捷、箱盖落点可控的特点，但该箱盖包含了活动冲击部件、储能弹簧、拉杆、闭锁舌片等较多结构，不利于总装流程简化。因此，从发射箱开盖的实际工程需求出发，研究响应时间快、落点范围可控、结构简单、制造工艺难度低，同时能满足密封性等要求的发射箱箱盖，具有重要的价值和意义。

本文提出一种利用爆炸螺栓开盖的箱盖方案，具备反应迅速、结构简单、落点可控等特点。在此基础上，对箱盖分离过程进行模拟分析，得到合理的爆炸螺栓冲量，并进行了试验验证，为实际工程应用奠定基础。

1 箱盖方案

1.1 箱盖结构

箱盖结构如图1所示，箱盖主要由底座、盖体、左半铰块、右半铰块和盖壳等零部件组成。

底座固定于发射箱端面，盖体与底座贴合，盖体上部两侧分别通过爆炸螺栓与底座连接，盖体下部两侧与左、右半铰块固定连接。左、右半铰块呈钩形，与固定在底座上的销轴形成半铰接：以销轴截面为投影面投影左、右半铰块与销轴的接触区域，所得为一段圆弧。为方便检测和探视发射箱内部情况，设置有盖壳，盖壳通过螺钉固定至盖体外端面。盖体与底座、盖体与盖壳间均设置有密封圈。为减轻箱盖总重量，同时保证关键连接部位的可靠性，盖体及盖板采用铝合金，其余部分采用35钢。

1.2 开盖机理

开盖时，爆炸螺栓内部炸药被引爆，螺栓杆分离带动盖体上部向远离发射箱的方向运动，盖体下部因左、右半铰块与销轴半铰接无法自由运动，在分离前期盖体将沿销轴中心轴线旋转的同时向远离发射箱的方向运动，随着左、右半铰块脱离与销轴的接触，盖体开始自由翻落。

2 模拟分析

2.1 开盖模型及边界条件

发射时，发射箱轴线平行于车身，俯仰角为50°。在考察箱盖的安全分离性能时，其重要的指标通常为分离过程中不与周围设备产生碰撞，箱盖落点可控。在平行于车身的平面上建立如图2所示的坐标系 Oxy 。车头顶面最前沿在坐标系中的投影点 C 坐标为（5162，-1675）。则盖体安全分离的判据为：

当xG=xC时，yG-d>yC

式中：x 、y 分别代表坐标系内横坐标值与纵坐标值;下标 G 代表盖体质心;d 为盖体质心至半铰块外形轮廓距离的最大值，此处为289mm。

箱盖、发射架及车体等模型在三维软件 UG 中建立，由于零件数较多，在动力学软件分析中主要研究发射过程中箱盖与车头的相对位置情况，因此将模型做如下处理：（1） 车身、车轮、各紧固件等不直接参与运动的部分，在导入 ADAMS 时将其忽略，仅保留发射箱、箱盖及车头;（2）发射箱、车头等无相对运动关系的部件采用一体式导入动力学软件中，减少模型数量，提高求解速度;（3）为精确模拟箱盖的运动和变形情况，将盖体进行柔性化处理，建立刚柔耦合的动力学计算模型。

将导入 ADAMS中的动力学模型做如下约束[10]以保证与实际运动情况相符并得出正确的仿真结果：（1） 箱盖底座与发射箱相对位置固定，对底座施加固定约束;（2） 左半铰块与盖体间为铆接，二者相对位置固定，在二者间施加固定约束，右半铰块与盖体间同理施加固定约束;（3）左半铰块与底座中的销轴半铰接，在左半铰块与销轴间施加接触高副，右半铰块与销轴间同理施加接触高副。

仿真过程中需准确模拟盖体抛落情况，并判断其与车头的碰撞风险，而爆炸螺栓冲击力的加载对仿真结果影响较大，本文使用半正弦波函数模拟爆炸螺栓冲击力，爆炸作用时间为半个周期，单个爆炸螺栓冲量为f N ·s ，作用时间为5 ms，则正弦波函数周期为10 ms，得到冲击力函数为[11]：

设置相同的两爆炸螺栓同时作用，单个爆炸螺栓产生的冲击载荷作用于盖体端面与爆炸螺栓的连接处并沿盖体平面法向向外。

由于爆炸螺栓的冲击时间极短，箱盖飞行时间较短，因此在仿真求解过程中忽略空气阻力对盖体翻落过程的影响。为得出爆炸螺栓的合适冲量，对冲量进行加载时，将爆炸螺栓冲量进行参数化处理，通过 ADAMS 软件对5.0～7.0 N ·s范围内的冲量变化进行连续求解。建立好的动力学模型和边界条件加载如图3所示。

2.2 结果及分析

图4所示为爆炸螺栓冲量在5.0～7.0 N ·s范围内变化时，盖体质心在坐标系 Oxy 中的轨迹曲线。在研究范围内，爆炸螺栓引爆后，盖体均会向远离发射箱的斜上方运动，在竖直方向的动能为零时盖体达到最高点，随后向远离发射箱方向斜下运动。当爆炸螺栓冲量为5.0 N ·s 和5.5 N ·s时，盖体质心轨迹在 C 点附近有明显突变，说明盖体在向下翻落过程中与车头发生碰撞;随着爆炸螺栓冲量继续增大，盖体的运动轨迹向坐标系 y 轴正向偏移，呈完整抛物线形状，说明盖体不再与车头产生碰撞。

根据2.1节分析得到盖体安全分离时应满足：当xG=5162 mm时，yG>-1386 mm 。考虑到过大的飞行距离会浪费爆炸螺栓的能量，增加制造成本，过小的距离可能会因工程制造误差影响，导致不能满足飞越车头的条件，因此以[（-1386）+300]3 开盖试验

为验证所设计的箱盖方案可行、选用的爆炸螺栓规格合理，设计了发射架、单管发射箱及箱盖进行开盖试验。图6所示为取掉盖壳后的箱盖。试验中利用靶板十字线模拟车头顶面最前沿所在位置，根据车头与发射箱盖间的实际位置关系，调整靶板与发射箱间的相对位置。利用高速相机拍摄盖体在飞行过程中的分离姿态，相机采集速率为1000 fps ，可实时连续记录盖体的全程运动情况。

开盖过程中的4张图片如图7所示。盖体在爆炸螺栓引爆后迅速脱离发射箱，在自身旋转的同时向远离发射箱的方向抛落，最终越过靶板后落地。整个过程中盖体运动形态和轨迹与图8所示的仿真情况基本一致，说明箱盖方案可行，模拟分析合理，爆炸螺栓选用正确。

4 结束语

立足于实际工程需求提出了一种利用爆炸螺栓开盖的箱盖方案，利用 ADAMS 软件对开盖过程进行了运动学仿真，利用高速相机对开盖试验中盖体运动情况进行了记录，通过仿真分析和试验结果得到以下结论。

（1） 该发射箱盖方案可行，盖体运动合理。

（2） 通过对影响箱盖抛落距离的爆炸螺栓冲量进行参数化处理，对5.0～7.0 N ·s范围内的冲量变化进行连续求解，确定了满足可靠安全分离判据的结果为6.0 N ·s。

（3） 试验结果表明模拟分析合理，爆炸螺栓选用正确，盖体不会与周围设备发生碰撞，箱盖满足可靠快速开启、安全分离、落点可控的设计要求。

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第一作者简介：鲁伟（1990-），男，硕士，工程师，研究领域为发射装置设计与仿真，已发表论文3篇。

（编辑：王智圣）