魯偉 彭程 張華雷

摘要：針對(duì)發(fā)射箱箱蓋可靠快速開啟、安全分離、落點(diǎn)可控的設(shè)計(jì)要求，提出了一種利用爆炸螺栓開啟分離箱蓋的方案。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各部件在分離過程中的受力特性，對(duì)箱蓋的分離軌跡和受力情況進(jìn)行模擬，對(duì)影響箱蓋拋落距離的爆炸螺栓沖量進(jìn)行參數(shù)化處理，通過 ADAMS軟件對(duì)5.0～7.0 N ·s范圍內(nèi)的沖量變化進(jìn)行連續(xù)求解，獲得滿足可靠安全分離判據(jù)的結(jié)果為6.0 N ·s 。最后設(shè)計(jì)并搭建了開蓋試驗(yàn)平臺(tái)，利用高速相機(jī)進(jìn)行開蓋過程拍攝，所得試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性和模擬分析的合理性，為實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：箱蓋設(shè)計(jì);爆炸螺栓;運(yùn)動(dòng)模擬;開蓋試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TJ768文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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

發(fā)射箱蓋是發(fā)射系統(tǒng)中的重要組成部分，在發(fā)射箱平時(shí)貯存時(shí)，箱蓋保證整個(gè)發(fā)射箱的密封，并對(duì)炮彈起保護(hù)作用[1-2]。為保證發(fā)射任務(wù)正常進(jìn)行，發(fā)射時(shí)箱蓋需可靠、快速、安全開啟。目前，發(fā)射箱開蓋方案主要有機(jī)械開啟、易碎蓋技術(shù)和拋投蓋技術(shù)3大類[3]。傳統(tǒng)的機(jī)械開蓋技術(shù)[4-5]機(jī)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)械構(gòu)件需承受燃?xì)廨d荷的燒蝕，并且液壓系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)期存放易故障，保養(yǎng)、維修費(fèi)用高。近年來，以彈燃?xì)鈮毫Σɑ驈楊^部直接撞擊作為開蓋動(dòng)力，將復(fù)合材料箱蓋吹碎或撞碎的易碎蓋技術(shù)[6-8]因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、耐燒蝕、簡(jiǎn)化發(fā)射程序等特點(diǎn)而備受青睞，但該技術(shù)對(duì)箱蓋工藝、材料要求較高，研制周期長(zhǎng)，且箱蓋在開啟、分離后落點(diǎn)不可控。拋投蓋技術(shù)利用爆炸沖擊或其他動(dòng)力讓箱蓋開啟、脫離，實(shí)用性強(qiáng)，能滿足研發(fā)制造快節(jié)奏、低成本的要求，其中，傅德彬等[9]提出了一種低沖擊彈射式發(fā)射箱前蓋，以彈頭與蓋體的接觸力作為箱蓋開啟和分離的動(dòng)力，具有操作快捷、箱蓋落點(diǎn)可控的特點(diǎn)，但該箱蓋包含了活動(dòng)沖擊部件、儲(chǔ)能彈簧、拉桿、閉鎖舌片等較多結(jié)構(gòu)，不利于總裝流程簡(jiǎn)化。因此，從發(fā)射箱開蓋的實(shí)際工程需求出發(fā)，研究響應(yīng)時(shí)間快、落點(diǎn)范圍可控、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝難度低，同時(shí)能滿足密封性等要求的發(fā)射箱箱蓋，具有重要的價(jià)值和意義。

本文提出一種利用爆炸螺栓開蓋的箱蓋方案，具備反應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、落點(diǎn)可控等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)箱蓋分離過程進(jìn)行模擬分析，得到合理的爆炸螺栓沖量，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 箱蓋方案

1.1 箱蓋結(jié)構(gòu)

箱蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示，箱蓋主要由底座、蓋體、左半鉸塊、右半鉸塊和蓋殼等零部件組成。

底座固定于發(fā)射箱端面，蓋體與底座貼合，蓋體上部?jī)蓚?cè)分別通過爆炸螺栓與底座連接，蓋體下部?jī)蓚?cè)與左、右半鉸塊固定連接。左、右半鉸塊呈鉤形，與固定在底座上的銷軸形成半鉸接：以銷軸截面為投影面投影左、右半鉸塊與銷軸的接觸區(qū)域，所得為一段圓弧。為方便檢測(cè)和探視發(fā)射箱內(nèi)部情況，設(shè)置有蓋殼，蓋殼通過螺釘固定至蓋體外端面。蓋體與底座、蓋體與蓋殼間均設(shè)置有密封圈。為減輕箱蓋總重量，同時(shí)保證關(guān)鍵連接部位的可靠性，蓋體及蓋板采用鋁合金，其余部分采用35鋼。

1.2 開蓋機(jī)理

開蓋時(shí)，爆炸螺栓內(nèi)部炸藥被引爆，螺栓桿分離帶動(dòng)蓋體上部向遠(yuǎn)離發(fā)射箱的方向運(yùn)動(dòng)，蓋體下部因左、右半鉸塊與銷軸半鉸接無法自由運(yùn)動(dòng)，在分離前期蓋體將沿銷軸中心軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向遠(yuǎn)離發(fā)射箱的方向運(yùn)動(dòng)，隨著左、右半鉸塊脫離與銷軸的接觸，蓋體開始自由翻落。

2 模擬分析

2.1 開蓋模型及邊界條件

發(fā)射時(shí)，發(fā)射箱軸線平行于車身，俯仰角為50°。在考察箱蓋的安全分離性能時(shí)，其重要的指標(biāo)通常為分離過程中不與周圍設(shè)備產(chǎn)生碰撞，箱蓋落點(diǎn)可控。在平行于車身的平面上建立如圖2所示的坐標(biāo)系 Oxy 。車頭頂面最前沿在坐標(biāo)系中的投影點(diǎn) C 坐標(biāo)為（5162，-1675）。則蓋體安全分離的判據(jù)為：

當(dāng)xG=xC時(shí)，yG-d>yC

式中：x 、y 分別代表坐標(biāo)系內(nèi)橫坐標(biāo)值與縱坐標(biāo)值;下標(biāo) G 代表蓋體質(zhì)心;d 為蓋體質(zhì)心至半鉸塊外形輪廓距離的最大值，此處為289mm。

箱蓋、發(fā)射架及車體等模型在三維軟件 UG 中建立，由于零件數(shù)較多，在動(dòng)力學(xué)軟件分析中主要研究發(fā)射過程中箱蓋與車頭的相對(duì)位置情況，因此將模型做如下處理：（1） 車身、車輪、各緊固件等不直接參與運(yùn)動(dòng)的部分，在導(dǎo)入 ADAMS 時(shí)將其忽略，僅保留發(fā)射箱、箱蓋及車頭;（2）發(fā)射箱、車頭等無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的部件采用一體式導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件中，減少模型數(shù)量，提高求解速度;（3）為精確模擬箱蓋的運(yùn)動(dòng)和變形情況，將蓋體進(jìn)行柔性化處理，建立剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)計(jì)算模型。

將導(dǎo)入 ADAMS中的動(dòng)力學(xué)模型做如下約束[10]以保證與實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況相符并得出正確的仿真結(jié)果：（1） 箱蓋底座與發(fā)射箱相對(duì)位置固定，對(duì)底座施加固定約束;（2） 左半鉸塊與蓋體間為鉚接，二者相對(duì)位置固定，在二者間施加固定約束，右半鉸塊與蓋體間同理施加固定約束;（3）左半鉸塊與底座中的銷軸半鉸接，在左半鉸塊與銷軸間施加接觸高副，右半鉸塊與銷軸間同理施加接觸高副。

仿真過程中需準(zhǔn)確模擬蓋體拋落情況，并判斷其與車頭的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，而爆炸螺栓沖擊力的加載對(duì)仿真結(jié)果影響較大，本文使用半正弦波函數(shù)模擬爆炸螺栓沖擊力，爆炸作用時(shí)間為半個(gè)周期，單個(gè)爆炸螺栓沖量為f N ·s ，作用時(shí)間為5 ms，則正弦波函數(shù)周期為10 ms，得到?jīng)_擊力函數(shù)為[11]：

設(shè)置相同的兩爆炸螺栓同時(shí)作用，單個(gè)爆炸螺栓產(chǎn)生的沖擊載荷作用于蓋體端面與爆炸螺栓的連接處并沿蓋體平面法向向外。

由于爆炸螺栓的沖擊時(shí)間極短，箱蓋飛行時(shí)間較短，因此在仿真求解過程中忽略空氣阻力對(duì)蓋體翻落過程的影響。為得出爆炸螺栓的合適沖量，對(duì)沖量進(jìn)行加載時(shí)，將爆炸螺栓沖量進(jìn)行參數(shù)化處理，通過 ADAMS 軟件對(duì)5.0～7.0 N ·s范圍內(nèi)的沖量變化進(jìn)行連續(xù)求解。建立好的動(dòng)力學(xué)模型和邊界條件加載如圖3所示。

2.2 結(jié)果及分析

圖4所示為爆炸螺栓沖量在5.0～7.0 N ·s范圍內(nèi)變化時(shí)，蓋體質(zhì)心在坐標(biāo)系 Oxy 中的軌跡曲線。在研究范圍內(nèi)，爆炸螺栓引爆后，蓋體均會(huì)向遠(yuǎn)離發(fā)射箱的斜上方運(yùn)動(dòng)，在豎直方向的動(dòng)能為零時(shí)蓋體達(dá)到最高點(diǎn)，隨后向遠(yuǎn)離發(fā)射箱方向斜下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)爆炸螺栓沖量為5.0 N ·s 和5.5 N ·s時(shí)，蓋體質(zhì)心軌跡在 C 點(diǎn)附近有明顯突變，說明蓋體在向下翻落過程中與車頭發(fā)生碰撞;隨著爆炸螺栓沖量繼續(xù)增大，蓋體的運(yùn)動(dòng)軌跡向坐標(biāo)系 y 軸正向偏移，呈完整拋物線形狀，說明蓋體不再與車頭產(chǎn)生碰撞。

根據(jù)2.1節(jié)分析得到蓋體安全分離時(shí)應(yīng)滿足：當(dāng)xG=5162 mm時(shí)，yG>-1386 mm ?？紤]到過大的飛行距離會(huì)浪費(fèi)爆炸螺栓的能量，增加制造成本，過小的距離可能會(huì)因工程制造誤差影響，導(dǎo)致不能滿足飛越車頭的條件，因此以[（-1386）+300]3 開蓋試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的箱蓋方案可行、選用的爆炸螺栓規(guī)格合理，設(shè)計(jì)了發(fā)射架、單管發(fā)射箱及箱蓋進(jìn)行開蓋試驗(yàn)。圖6所示為取掉蓋殼后的箱蓋。試驗(yàn)中利用靶板十字線模擬車頭頂面最前沿所在位置，根據(jù)車頭與發(fā)射箱蓋間的實(shí)際位置關(guān)系，調(diào)整靶板與發(fā)射箱間的相對(duì)位置。利用高速相機(jī)拍攝蓋體在飛行過程中的分離姿態(tài)，相機(jī)采集速率為1000 fps ，可實(shí)時(shí)連續(xù)記錄蓋體的全程運(yùn)動(dòng)情況。

開蓋過程中的4張圖片如圖7所示。蓋體在爆炸螺栓引爆后迅速脫離發(fā)射箱，在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向遠(yuǎn)離發(fā)射箱的方向拋落，最終越過靶板后落地。整個(gè)過程中蓋體運(yùn)動(dòng)形態(tài)和軌跡與圖8所示的仿真情況基本一致，說明箱蓋方案可行，模擬分析合理，爆炸螺栓選用正確。

4 結(jié)束語

立足于實(shí)際工程需求提出了一種利用爆炸螺栓開蓋的箱蓋方案，利用 ADAMS 軟件對(duì)開蓋過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，利用高速相機(jī)對(duì)開蓋試驗(yàn)中蓋體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了記錄，通過仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。

（1） 該發(fā)射箱蓋方案可行，蓋體運(yùn)動(dòng)合理。

（2） 通過對(duì)影響箱蓋拋落距離的爆炸螺栓沖量進(jìn)行參數(shù)化處理，對(duì)5.0～7.0 N ·s范圍內(nèi)的沖量變化進(jìn)行連續(xù)求解，確定了滿足可靠安全分離判據(jù)的結(jié)果為6.0 N ·s。

（3） 試驗(yàn)結(jié)果表明模擬分析合理，爆炸螺栓選用正確，蓋體不會(huì)與周圍設(shè)備發(fā)生碰撞，箱蓋滿足可靠快速開啟、安全分離、落點(diǎn)可控的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王迪.易碎式發(fā)射箱蓋的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].北京：北京理工大學(xué)，2017.

[2]陳愚，孫鳳云.貯運(yùn)發(fā)射箱的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2012，33（15）：132-135.

[3]姜毅，耿鋒， 張強(qiáng).導(dǎo)彈發(fā)射筒蓋開啟過程數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)[J].彈道學(xué)報(bào)，2008（3）：33-35.

[4]葉大水， 吳博文，余文成，等.發(fā)射箱箱蓋機(jī)構(gòu)故障分析及解決措施[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2015（4）：20-23.

[5]谷榮亮.某型發(fā)射筒前蓋燒損的故障分析[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009（2）：12-16.

[6]邵慶， 張保剛， 惠衛(wèi)華，等.貯運(yùn)發(fā)射箱易碎易裂蓋自動(dòng)開蓋研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2017，37（1）：27-30.

[7]夏勝禹.基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)燃?xì)忾_蓋研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[8]黨海燕，賀衛(wèi)東，魯志剛，等.激波開蓋中后蓋開蓋壓力對(duì)前蓋壓力的影響研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2012（1）：54-57.

[9]傅德彬，王飛，王新星，等.低沖擊彈射式發(fā)射箱前蓋分離特性[J].宇航學(xué)報(bào)，2016，37（4）：488-493.

[10]李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[11]陳余軍，姜毅.車載導(dǎo)彈發(fā)射過程姿態(tài)模擬[J].彈道學(xué)報(bào)，2012， 24（1）：102-106.

第一作者簡(jiǎn)介：魯偉（1990-），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榘l(fā)射裝置設(shè)計(jì)與仿真，已發(fā)表論文3篇。

（編輯：王智圣）