响应板式爆炸冲击模拟装置试验仿真研究

引言

导弹/火箭等航天器多采用各种火工分离装置完成特定的部段分离或机构驱动功能,这些分离装置工作时可在弹/箭结构上产生高量级、宽频带、短持续时间的瞬态机械响应,形成爆炸分离冲击环境。在冲击过程中,外界的能量在瞬间传递到航天器及其部件上,所产生的位移、速度和加速度的突然变化有可能造成航天器结构与设备的损坏及故障,尤其是电子仪器设备和轻薄结构更容易受到爆炸冲击的影响,从而导致航天器无法正常工作。在各国航天史上,均发生过相当数量的由爆炸冲击引起的飞行故障。为了保证飞行产品的可靠性,需在试验室通过爆炸冲击模拟试验对产品进行考核和验证。

试验室常使用响应板式爆炸冲击模拟装置进行试验,但由于试验结果受响应装置、边界条件、波形发生器等多种因素的影响,试验控制难度大,调试周期长。为了提高试验控制能力,缩短调试周期,本文在对响应板式爆炸冲击模拟试验仿真分析的基础上,讨论响应装置、边界条件、激励等因素对试验结果的影响规律,为试验设计和指导试验调试提供了依据。

1响应板式爆炸冲击模拟试验装置

响应板式爆炸冲击模拟装置是试验室常用的模拟装置之一,其使用空气炮加速一运动质量块撞击响应板,在响应板上激起近似于爆炸冲击环境的复杂振荡衰减波,并由工装传递至产品上,完成对产品的冲击考核,如图1所示。参试产品与台面法向一致方向受到的冲击较大,而另外两个正交方向的冲击量级相对较小,可认为参试产品经受了主冲方向(台面法向)的单方向冲击试验考核。

2仿真分析

冲击试验中,一般采用冲击响应谱作为试验参考谱,根据谱型变化对试验装置参数进行调整。在ANsYs中,使用实体单元solid164建立响应板和弹丸(运动质量块)模型,如图2所示。在冲击过程中,由于响应板产生弹塑性变形,所以建模材料采用与应变率有关的各向同性的PlasticKinematic材料模型:弹丸在本文中不考虑其动态响应,假设为刚性体,其材料属性为刚性体材料属性。

实际试验中,响应板通过四个螺栓与冲击台台体连接。在尽量不影响计算结果的前提下,为了尽可能简化边界条件,在有限元模型中选取响应板四个螺栓孔上下表面的8个节点作为支撑点,用来模拟实际的边界条件:刚性弹丸只有初速载荷,不考虑空气阻力:响应板和弹丸之间的接触定义为面面碰撞接触,弹丸会匀速撞击响应板的中心位置。

仿真计算中,分别研究激励脉宽、边界条件和响应板几何尺寸等参数变化对冲击响应谱的影响规律。

2.1激励与冲击响应谱的关系

给响应板施加峰值相同、脉宽不同的半正弦激励,激起响应板不同频率成分的谐振波响应,计算谐振波响应所对应的冲击响应谱,从而分析激励脉宽与冲击谱谱形之间的内在关系。在保持响应板结构尺寸、边界条件、分析步长等参数一致的基础上,表1给出了5个峰值相同、脉宽不同的半正弦激励脉冲,分别作用在响应板上,得到的结果曲线如图3~7所示。

通过分析可以看出:

(1)随着半正弦激励的脉宽增大,冲击响应谱高频段的幅值呈现下降趋势。

(2)随着半正弦激励的脉宽增大,冲击响应谱的拐点频率不断减小。

由于激励脉宽的改变对冲击响应谱拐点频率和高频段响应幅值有明显影响,实际试验中常通过改变波形发生器来调节激励脉宽,从而实现控制谱形的目的。

2.2边界条件与冲击响应谱的关系

在保持响应板结构尺寸、弹丸的初速/质量和几何尺寸、分析步长等参数一致的基础上,按照自由、简支和固支三种支撑方式进行边界模拟,计算结果如图8所示。

可以看到,约束对冲击响应谱低频段的幅值有明显抑制,对高频段幅值和拐点频率的影响不明显,实际试验中常通过改变响应板安装形式来实现控制谱形的目的。

2.3响应板厚度与冲击响应谱的关系

在保持边界条件、弹丸的初速/质量和几何尺寸、分析步长等参数一致的基础上,分别用厚10mm和20mm的响应板仿真计算,结果如图9和图10所示。

可以看到,在相同约束方式下,随着响应板厚度的增加,响应谱高频段的幅值呈变大趋势,低频段的幅值呈减小趋势,实际试验中常通过改变响应板结构尺寸来实现控制谱形的目的。

3结语

通过仿真计算,对于响应板式爆炸冲击模拟装置,改变激励脉宽能够达到控制冲击谱高频段幅值和拐点频率的作用:改变响应板安装方式对冲击谱高频段幅值和拐点频率的改变不大,但对响应谱低频段幅值有明显影响:改变响应板厚度对冲击谱高、低频段幅值均有明显影响。仿真计算所得到的规律与实际试验中的规律基本相符。通过对冲击过程的有限元仿真计算,为设计试验和指导试验调试提供了依据,能够提高冲击试验精度,缩短调试周期。