響應(yīng)板式爆炸沖擊模擬裝置試驗仿真研究

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(gòu)驅(qū)動功能,這些分離裝置工作時可在彈/箭結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生高量級、寬頻帶、短持續(xù)時間的瞬態(tài)機械響應(yīng),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(jié)構(gòu)與設(shè)備的損壞及故障,尤其是電子儀器設(shè)備和輕薄結(jié)構(gòu)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(yīng)板式爆炸沖擊模擬裝置進行試驗,但由于試驗結(jié)果受響應(yīng)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(yīng)板式爆炸沖擊模擬試驗仿真分析的基礎(chǔ)上,討論響應(yīng)裝置、邊界條件、激勵等因素對試驗結(jié)果的影響規(guī)律,為試驗設(shè)計和指導試驗調(diào)試提供了依據(jù)。

1響應(yīng)板式爆炸沖擊模擬試驗裝置

響應(yīng)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(zhì)量塊撞擊響應(yīng)板,在響應(yīng)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(yīng)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(yīng)板和彈丸(運動質(zhì)量塊)模型,如圖2所示。在沖擊過程中,由于響應(yīng)板產(chǎn)生彈塑性變形,所以建模材料采用與應(yīng)變率有關(guān)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(yīng),假設(shè)為剛性體,其材料屬性為剛性體材料屬性。

實際試驗中,響應(yīng)板通過四個螺栓與沖擊臺臺體連接。在盡量不影響計算結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)板幾何尺寸等參數(shù)變化對沖擊響應(yīng)譜的影響規(guī)律。

2.1激勵與沖擊響應(yīng)譜的關(guān)系

給響應(yīng)板施加峰值相同、脈寬不同的半正弦激勵,激起響應(yīng)板不同頻率成分的諧振波響應(yīng),計算諧振波響應(yīng)所對應(yīng)的沖擊響應(yīng)譜,從而分析激勵脈寬與沖擊譜譜形之間的內(nèi)在關(guān)系。在保持響應(yīng)板結(jié)構(gòu)尺寸、邊界條件、分析步長等參數(shù)一致的基礎(chǔ)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(yīng)板上,得到的結(jié)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(yīng)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(yīng)譜的拐點頻率不斷減小。

由于激勵脈寬的改變對沖擊響應(yīng)譜拐點頻率和高頻段響應(yīng)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(yīng)譜的關(guān)系

在保持響應(yīng)板結(jié)構(gòu)尺寸、彈丸的初速/質(zhì)量和幾何尺寸、分析步長等參數(shù)一致的基礎(chǔ)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(jié)果如圖8所示。

可以看到,約束對沖擊響應(yīng)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(yīng)板安裝形式來實現(xiàn)控制譜形的目的。

2.3響應(yīng)板厚度與沖擊響應(yīng)譜的關(guān)系

在保持邊界條件、彈丸的初速/質(zhì)量和幾何尺寸、分析步長等參數(shù)一致的基礎(chǔ)上,分別用厚10mm和20mm的響應(yīng)板仿真計算,結(jié)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(yīng)板厚度的增加,響應(yīng)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(yīng)板結(jié)構(gòu)尺寸來實現(xiàn)控制譜形的目的。

3結(jié)語

通過仿真計算,對于響應(yīng)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(yīng)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(yīng)譜低頻段幅值有明顯影響:改變響應(yīng)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(shè)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。