包带连接承载能力研讨

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本文作者：秦朝烨 褚福磊 阎绍泽 单位：清华大学精密仪器与机械学系

1引言

在航天领域中,卫星与运载火箭之间通过连接与分离机构实现可靠连接和安全分离.在星箭分离前,连接与分离机构应保证星箭整体结构的强度和刚度性能满足使用要求,其连接性能直接关系到火箭的运载能力,同时还将影响星箭整体系统在飞行过程中的动力学特性.在航天技术发展初期,星箭之间大部分采用沿对接面周向均布若干爆炸螺栓的连接方式.随着航天技术的不断发展,相继出现了一系列新型的连接与分离机构.由于解锁可靠性高、分离冲击小等优点,当今世界各主要运载火箭大多采用包带锁紧装置作为星箭连接和分离机构[1].典型包带式星箭连接结构如图1所示,主要由金属带、爆炸螺栓,以及沿对接面周向均匀分布的若干卡块等部件组成[2].在装配时,通过拧紧爆炸螺栓,在两条金属带内施加预紧力,进而对金属带内侧的卡块产生径向压力,使卡块夹紧适配器与卫星对接框,约束其轴向相对运动,实现星箭连接.当需要实施星箭分离时,由火箭控制系统发出指令引爆爆炸螺栓,使金属带断开失去束缚力,卡块随金属带一起脱开,实现星箭分离.实际上,包带锁紧装置中还包括分离弹簧,拉簧以及限位弹簧等元件.这些部件主要用于限制解锁过程中卡块的运动,防止其与卫星发生碰撞,提高星箭分离的可靠性和安全性.包带连接结构的承载能力将限制发射有效载荷的大小,影响大型航天器的发射.包带连接结构的承载能力除了与星箭接口具体结构参数有关外,还受装配时预紧力大小的制约.过小或过大的预紧力都不利于星箭可靠连接,预紧力过小,会导致星箭之间出现明显的相对运动,不能保证有效连接;预紧力过大,会使对接框出现环向失稳,造成结构破坏[3].除连接可靠性问题外,连接面的存在还会使系统刚度分布发生局部扰动,如图2所示[4].由于连接面削弱了附近结构的刚度,而且接头处往往存在间隙,因而会使整个系统的固有频率降低;同时,连接面对刚度分布的影响还会引起系统振型畸变和节点位置发生变化.特别是,包带连接结构的接触状态和刚度在外载荷的作用下会发生变化,其动力学特性具有典型的非线性特征,在发射过程中的复杂载荷作用下,可能会造成星箭系统局部刚度突变以及星箭非线性耦合等现象.文献[5]分别从承载能力、分离冲击、动态包络、分离速度与分离姿态以及环境适应性等5个方面系统介绍了星箭包带连接结构解锁分离动力学问题的研究进展.区别于文献[5],本文主要围绕包带连接结构的连接性能、包带连接在星箭整体模型中的表征及其对星箭耦合系统动特性的影响等问题综述国内外研究现状.

2包带连接结构连接特性研究

2.1包带连接承载能力尽管广泛应用在航天领域,但相比其他形式的连接结构,国内外针对包带连接结构公开发表的研究工作很少,且主要集中在分析星箭分离过程中包带解锁冲击对卫星仪器的影响以及如何减小包带解锁引起的冲击[6-10].降低包带解锁产生的冲击与提高包带连接结构的承载能力在一定程度上是相互制约的.当有效载荷较大时,为防止星箭连接失效,需要增大包带预紧力来提高其承载能力,然而预紧力的增大会使星箭对接框内应变能增加,从而导致分离时的冲击变大[11-12].工程上在计算包带预紧力时,不考虑包带连接结构中各部件的变形,忽略金属带与卡块间的摩擦力,假设卡块沿周向连续分布.基于上述假设,以包带连接结构中各部件之间出现相对滑动作为失效判据,在轴向拉力和弯矩作用下保证星箭可靠连接的包带最小预紧力为[3]P=wD(tanαμ)1+μtanαw=TπD+4MπD2(1)式中,D为星箭对接框直径,α为卡块楔角,μ为卡块与对接框间的摩擦系数,w为对接框单位弧长上的等效轴向拉力,T和M分别为对接框所受轴向拉力和弯矩,该公式计算结果偏于安全.唐乾刚等[13]从静力学角度分别推导了在拉伸、弯曲以及剪切载荷作用下为保证星箭可靠连接所需最小预紧力,并最终得到了组合载荷作用下包带预紧力范围的计算公式.通过与试验数据进行对比,验证了包带预紧力计算公式的可靠性.文献[13]在包带预紧力计算公式推导过程中引入间隙乘子δ描述了卡块沿周向间隔分布的特征,除此之外,采用的假设与式(1)相同.DiTolla等[14]通过循环加载静力实验和非线性有限元方法分析研究了包带轴向承载能力,实验结果表明传统的滑移判据过于保守,可采用星箭对接框间出现间隙作为星箭连接是否可靠的判据,从而可使包带承载能力提高1.5倍.文中假设包带连接结构所受外载荷和边界条件都是轴对称的,采用如图3所示的二维有限元模型近似描述包带连接结构.考虑到实际结构中卡块沿对接面周向间隔分布,不具有周向刚度.

2.2包带连接刚度及其动力学特性包带连接结构的连接刚度与各组件的结构参数、预紧力大小等参数有关,具有明显的非线性特征.文献[20]采用二维轴对称有限元模型分析了轴向拉力作用下星箭对接面的变形以及连接刚度的变化,并讨论了预紧力变化对星箭连接特性的影响.研究表明,当轴向拉力与预紧力的比值大于特定值时卡块与对接框间出现宏滑动,包带轴向连接刚度下降,表现出非线性特征.包带连接通过卡块夹紧卫星下端框和适配器以实现星箭连接,可将其视为一种特殊的法兰连接结构.文献[21]借鉴螺栓–法兰连接结构的分析方法,将对接框分解为图4所示的圆柱壳和法兰环两部分进行了受力和变形分析,图4中,pt为单位弧长上对接框所受轴向拉力,qt和mt为柱壳和法兰环截面内单位弧长上的切向力和弯矩,fn和ff为单位弧长对接框与卡块之间的接触正压力和摩擦力,fc为上下对接接框之间的正压力,Rf为卡块与对接框接触力合力作用点所在圆周半径,α为卡块楔角.在此基础上,结合有限元仿真分析,建立了包带连接结构对接面相对变形和轴向刚度的解析表达式;通过理论分析和数值仿真得到如下结论:当拉力小于由式(1)确定的极限拉力Tm时,包带连接结构的轴向变形与拉力之间近似为线性关系,也就是说,增大预紧力并不能明显提高0～Tm范围内包带连接结构的轴向刚度.采用与文献[21]相似的分析方法,文献[22]以图5(a)所示轴向激励作用下包带连接结构为研究对象,推导了法兰环轴向振动方程,并重点讨论了卡块与对接框间以及上下对接框间接触摩擦和约束的确定方法;在此基础上,忽略对接框圆柱壳质量,将其简化为线性弹簧,如图5(b)所示,建立了包带连接结构两自由度轴向振动力学模型式中,z和zr分别为有效载荷轴向位移和法兰环相对上下框对接面的轴向相对位移;随后,开展了包带连接结构缩比模型静力实验,验证了对法兰环受力和变形分析的正确性;并采用该动力学模型计算了简谐激励作用下包带连接结构的振动响应.计算结果表明,包带连接的存在会降低对接面局部刚度,进而降低连接系统的轴向刚度,使系统的主共振频率低于对应线性系统的共振频率;上、下对接框在对接面处的非对称约束会导致包带连接系统的刚度不连续,使有效载荷的受迫振动响应中存在激励频率的超谐和亚谐分量,并伴随有跳跃现象.文献[23]在对包带连接中各部件之间的接触力和接触关系进行分析的基础上,通过将接触力等效为有限元节点载荷的方法,把包带连接引入到连接系统的有限元模型中,构建了包带连接结构的非线性动力学模型;采用所提出的建模方法对一个标准接口的包带连接进行了计算,发现包带连接具有明显的软刚度特性,即连接结构的固有频率随着激励幅值的增大而降低;包带预紧力越小,结构固有频率越低,且非线性现象越明显.上述文献主要研究了包带连接结构在简谐激励作用下的轴向动力学行为.考虑到在星箭发射过程中包带连接结构将承受不同方向复杂载荷的共同作用,应深入研究包带连接结构在复杂组合载荷作用下的动力学特性.除上面介绍的有关包带连接特性的研究工作,国内外学者还对包带分离动力学问题进行了大量研究[24-29],具体研究内容及研究方法可参见文献[5],这里不再赘述.

3星–箭–包带耦合动力学特性研究

3.1星箭整体系统建模星箭耦合动力学特性研究的目的主要有两方面,一是分析发射不同的卫星是否会对运载火箭的动特性产生影响,这主要是解决更换有效载荷后运载火箭稳定系统的适应性问题;二是分析在飞行载荷作用下是否会出现星箭动力耦合,以判断星箭对接面的环境条件是否使卫星产生严重过载或破坏[30].随着卫星重量的不断增加,其特征频率不断降低,卫星和火箭不可避免地会在低频段个别频率上出现耦合效应.星箭耦合动力学特性研究首先需要建立卫星/运载火箭整体系统动力学模型.针对其细长比较大的特点,在进行全箭结构动力学建模时主要采用梁模型.采用这种建模方式时,星箭等效梁模型的特征参数由实际卫星和运载火箭的结构参数,包括直径、长度和等效厚度等确定.贮箱中的推进剂只计质量,不计转动惯量.为了提高计算精度,可以在梁模型的基础上建立局部三维有限元模型[31].实际上,在运载火箭不同的设计阶段,遵循由简到繁的原则,需要建立不同的分析模型.在初步设计阶段一般都采用梁模型,随着研制工作的开展和大量试验工作的进行,部分部段采用三维建模,最后建立起系统的三维组合模型.图6所示为“土星V”在不同设计阶段的模型[32].由于星箭结构的复杂性和耦合性,通常需要采用子结构建模技术.根据星箭系统自然状态,将其分为若干个子结构,对每个子结构进行建模和模态试验,用试验数据修改和验证建立的模型,最后组装成系统的动力学模型对整个系统进行综合分析.根据子结构界面约束条件,子结构模态综合技术可以分为3类,即自由界面法[33]、固定界面法[34]和混合界面法[35].星箭建模技术已经比较成熟,特别是随着大型高速计算机的发展,星箭模型的规模越来越大,分析精度也越来越高.

3.2包带连接表征及其对星箭系统的影响连接结构引起的局部刚度和阻尼变化会对整体系统动力学特性产生影响.而研究连接结构的重要目的之一就是分析连接对整体结构力学特性的影响,从而使得对整体结构的分析结果更加接近真实情况.用于连接卫星和运载火箭的包带连接结构同样会改变星箭系统的动力学特性,然而,有关包带连接结构对星箭整体系统动力学特性影响的研究较少,在进行星箭耦合动力学特性研究时通常将星箭对接面做固接处理.文献[36]将航天器通过包带固定在刚性夹具上进行模态实验,在分析实验数据时发现,包带连接不能视为刚性连接,其引起的局部柔度会影响到航天器的固有特性.为了得到基础固定边界条件下的模态,需要对试验结果进行修正.文献[37]利用灵敏度分析技术分析了小卫星模态参数对固有频率和振型的影响,并建立了小卫星有限元模型以研究局部刚度变化对结构动特性的影响.分析结果表明,包带连接结构的支撑刚度是影响小卫星动特性的主要因素之一.文献[38]采用理论分析和实验相结合的方法计算了一个四级运载火箭的前三阶模态,并讨论了火箭级间连接松动对计算结果的影响.文中指出连接结构会降低星箭整体系统的刚度,而这种影响很难从解析角度进行研究,NASALang-ley研究中心通常基于已有测试数据根据经验来处理这种问题.为了能够更加准确地描述连接结构对整体系统动特性的影响,一些学者在子结构建模方法中引入了连接子结构的概念,在模态子结构之间定义连接子结构描述子结构间的连接关系[39-40].连接子结构仅存在边界自由度而无内部自由度,所有边界自由度又同时与模态子结构所共有,其模型参数大多基于实测数据通过参数辨识的方法得到[41].针对航天器复杂结构,文献[42]提出了子结构试验建模综合技术,采用试验数据修正航天器复杂动力学模型.文中以CZ-2E和CZ-2F运载火箭全箭模态试验仿真为例,说明了该方法的有效性.在对CZ-2F载人运载火箭进行分析时,发现载人飞船与整流罩内支架间处于松动状态下,星箭整体系统的振型模态将增加一个船罩反向耦合模态.由于能够方便地表征连接界面的接触、摩擦等非线性因素,有限元分析方法广泛用于连接结构的动力学计算.文献[43]阐述了采用有限元法建立复杂连接系统动力学模型的思路,即将被连接件和接头分开进行计算,然后再将两种计算模型结合到一起.具体地,先按照接触问题计算需要建立网格足够精细的接头有限元模型,通过非线性迭代求解得到接头刚度、阻尼等特性参数;对被连接件按计算精度要求建立适当密度网格的有限元模型,通过刚度和阻尼系数来模拟接头,构成系统整体模型.张铎等[44-50]针对导弹结构中典型连接结构的连接刚度及其对导弹整体结构动力学特性的影响等问题进行了一系列研究工作.这部分研究工作的研究对象主要是导弹舱段间的盘式连接以及弹体和弹翼之间的榫式连接,对连接结构的建模思路大体一致,即采用间隙元模拟接头处被连接件之间的接触,把螺栓简化成受拉杆以及与杆轴线垂直方向上的两个弹簧来模拟其刚度和传力特性,并将受拉杆两端节点与被连接件对应节点进行自由度耦合以传递预紧力.文献[51]参考文献[22]的法兰环轴向振动方程导出包带连接结构对接面轴向刚度表达式,基于该刚度解析表达式建立非线性弹簧单元,并加载到星箭对接面上用以模拟包带连接,构建星–箭–包带耦合模型,如图7和图8所示.该耦合模型的特点是既反映了包带连接对星箭整体系统动特性的影响,又避免了非线性接触问题的求解,从而大大提高了计算效率.采用该星–箭–包带耦合模型进行了星箭整体系统的模态分析,研究了轴向正弦激励以及冲击激励作用下星箭系统的动态响应.研究表明,包带连接会造成星箭对接面局部刚度降低,从而使星箭整体系统的固有特性和振动响应发生变化.目前,工程上分析星箭整体系统动力学特性时往往将包带连接简化处理为刚性连接.包带连接结构的刚度、阻尼等局部非线及其对星箭系统动力学特性的影响尚需进一步研究。

4总结与展望

通过以上综述可以看出,有关包带连接特性以及对星箭系统力学特性影响等问题的研究工作取得了一定的成果,但公开报道的研究还不够深入、完善,主要有以下几个方面需要进一步研究:(1)目前主要研究包带连接结构的轴向连接特性,所受载荷多为轴向简谐激励或准静态载荷.在实际发射过程中,包带连接结构所受载荷形式要复杂得多.应进一步研究包带连接结构在横向弯曲载荷以及复杂组合载荷作用下的动力学特性.(2)包带连接结构的非线性连接刚度及其对星箭系统动力学特性的影响尚需进一步研究.包带连接除改变整体系统的刚度外,还将引入局部非线性阻尼.实际上,连接结构是航天器无源阻尼的主要来源[52].应深入研究包带连接结构各组件间接触摩擦等非线性力学行为,建立包带连接结构的阻尼模型,从能量耗散的角度研究包带连接对星箭系统动特性的影响.(3)有关包带连接特性实验研究的报道很少.应结合理论分析和数值仿真研究开展相应的原理性实验研究,从实验角度掌握包带连接结构各部件间的相互作用关系以及连接结构整体力学性能.一方面,通过实验研究可以验证理论分析和数值仿真的正确性;另一方面,实验研究可以直观地揭示实际连接结构中存在的复杂力学问题,进一步促进理论研究.事实上,在工程实际中为保证星箭可靠连接,工程技术人员会对包带连接特性进行大量计算和试验分析,确定结构和预紧力参数.而包带连接结构相关研究报道较少的原因主要有以下两点:一是运载火箭相关力学模型及其动力学分析通常都具有保密性质;二是工程技术人员在解决实际问题时涉及大量经验,这些工程处理方法不便于发表.另外,本文引用的部分文献理论分析过程过于复杂,不便于工程应用.如何更好地与工程实际结合起来,为包带连接结构的实际应用服务,将是理论研究的重点.