线式分离结构高应力释放对高频冲击环境的影响分析

高 庆， 陈新民， 赵永辉

(1.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室,江苏 南京 210016; 2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)



线式分离结构高应力释放对高频冲击环境的影响分析

高 庆1,2， 陈新民2， 赵永辉1

(1.南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室,江苏 南京 210016; 2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

传统的分离冲击环境分析重点关注火工装置本身作用(包括火药爆炸和应力释放等)产生的高频瞬态冲击，在分离结构应力释放对高频瞬态冲击环境的影响和贡献等方面的关注不够。在某线式分离系统高频瞬态冲击环境条件的制定过程中，开展了冲击环境的预示分析和试验验证，并对高频瞬态冲击的各贡献因素进行了详细分析，辨识确定了分离结构高应力释放对高频瞬态冲击的影响程度，摸清了地面及飞行试验中高频冲击环境的差异原因。

高频冲击；高应力释放；天地差异性

通常根据飞行器激励源和结构响应的差异，特别是频率范围的差异，将结构动力学响应分为低频振动、高频振动以及高频瞬态冲击等三类[1]，其中高频瞬态冲击主要来源于火工装置在工作过程中大量能量的迅速释放，因此也常常把高频瞬态冲击称为爆炸冲击或火工品冲击。高频瞬态冲击的主要特点是：高量级，近场冲击加速度范围为1 000 g～100 000 g；时间短，衰减一般在20 ms以内；传播形式为应力波[2]。

美国航空航天局(NASA)曾经统计了从1963～1985年的所有飞行故障[3]，在88次可能与爆炸冲击或振动有关的故障中,超过63次是由爆炸冲击直接或间接引起的，占71%以上，且多数是灾难性故障。可以说爆炸冲击几乎是所有航天器最严酷的力学环境之一,是导致飞行故障的主要环境因素，对飞行成功有着重要影响。国内外航天界对高频瞬态冲击进行了大量的研究，已经在产生过程、环境特点、对仪器设备的破坏机理及其防护、环境的测量分析、环境预示、试验条件制定、实验室验证等方面，取得了丰富的研究成果[4]。美国已经逐渐建立了一套完善的行业管理规范,并得到了严格执行,如NASA-STD-7003、NASA-HDBK-7005、MIL-STD-810G、火工品冲击设计指南等系列标准规范以及设计手册。国内也随后建立了GJB150A、GJB/Z126等冲击数据分析和试验方法等方面的标准规范，并在产品耐冲击设计[5]和冲击环境试验考核中，广泛采用布洛特(Blot)在1963年提出的冲击响应谱(SRS)。

在高频瞬态冲击的研究中，重点关注的是火工装置爆炸产生的冲击环境，更进一步也仅考虑了连接面预紧力应变能释放过程对冲击环境的影响[1,4,6]。张建华[4]指出加了预紧力的火工装置分离后,应变能的突然释放增加了冲击环境的烈度。王军评等[7]以典型爆炸螺栓及其连接结构为对象，分别建立了爆炸、应变能释放、撞击等过程的数值计算模型，定量研究了各载荷作用机制及其引起的结构响应特征，数值仿真结果表明，在近场区域内，爆炸载荷的贡献最大，其激起的加速度响应峰值是应变能释放和撞击的3倍左右。美国著名火工装置研发机构Hi-SHEAR技术公司20世纪70年代研制的SN-9400系列低冲击分离爆炸螺栓，预紧力为89 kN，在2 000 Hz处火工品爆炸占10%，应变能释放占60%，部件撞击占30%；SN-9500系列低冲击分离爆炸螺栓，预紧力为89 kN，在2 000 Hz处工品爆炸占30%，应变能释放占20%，部件撞击占50%[8]。各主要研究仍普遍将火工品视为高频瞬态冲击的主要激励源，以至于把高频瞬态冲击简称为爆炸冲击或火工品冲击，在分离结构应力释放对高频瞬态冲击环境的影响和贡献方面关注不够；在高频瞬态冲击的数据收集、条件制定、试验考核等方面，主要模拟火工装置及其连接安装因素的作用，忽略其他因素的影响。

本文在分析和制定某线式分离方案高频瞬态冲击环境条件的过程中，全面分析了各主要影响因素，利用传统外推方法预示了火工装置冲击环境，利用有限元数值分析方法预示了结构高应力释放的高频冲击环境；然后进行综合叠加得到了该线式分离方案的冲击环境预示结果，并初步分析各因素的贡献情况；最后利用试验方法分别获得了火工装置和该线式分离方案的冲击环境，并对预示结果进行了验证和对比分析，同时也对高频瞬态冲击环境各贡献因素进行了更详细的分析，辨识确定了分离结构高应力释放对高频瞬态冲击的重大影响，摸清了地面及飞行试验中高频冲击环境的差异原因。此外，结构高应力状态仅指在外力作用下结构的应力水平较高，甚至接近结构的许用应力。

1 某线式分离设计方案

某线式分离设计方案中，采用气动冷分离方式，在舱内压力提高至1.0 MPa以上时，利用切割索产生的射流解除舱段结构连接，在舱内压力作用下前后体快速分离。因此该高频冲击环境可能有两个激励源，分别为火工装置动作，以及舱段结构应力(由舱内压力产生)释放。分离舱段结构形式为等厚薄壁圆柱壳体，壳体直径为700 mm，壁厚5 mm，冲击测点距分离面250 mm(图1)。

图1 某线式分离设计方案示意图Fig.1 The sketch of alinear separation design

2 分离高频瞬态冲击环境的预示分析

2.1 火工装置动作产生的高频冲击环境预示

获取火工装置产生的高频冲击环境数据最常用的方法是直接测量和数据外推，通常在设计初期采用数据外推法，在具备试验条件后，最好采用直接测量法。爆炸分离冲击环境的外推过程一般涉及两个主要换算过程[1]：火工装置释放总能量的换算，及爆炸能量源与响应位置之间距离与结构形式的换算。

本文参考其他型号的地面及飞行试验冲击测量数据，利用外推法，预示得到了该火工装置动作产生的高频冲击环境结果(图2)，此外参考NASA-HDBK-7005[1]中飞行试验冲击响应谱散差数据，确定火工装置产生高频冲击环境的散差为±3 dB。

图2 火工装置的冲击响应谱预示结果Fig.2 The prediction ofSRS induced by a pyrotechnic

2.2 结构高应力释放产生的高频冲击环境预示

结构高应力释放产生的高频冲击环境，没有测量数据可供参考，也较难开展试验测量，因此本文采用数值仿真计算方法，预示高应力释放产生的高频冲击环境。图3为利用数值方法得到冲击测点处的时间历程，图4为其冲击响应谱分析结果。但利用数值方法，无法确定高应力释放产生的高频冲击环境的散布，工程中暂取散差为±2 dB。

图3 高应力释放的高频冲击时域预示结果Fig.3 The prediction of response induced by high stress delivery

图4 高应力释放的冲击响应谱预示结果Fig.4 The prediction of SRS induced by high stress delivery

该数值仿真过程为，首先建立线式分离结构(图1)的有限元模型，然后施加舱内压力P并计算结构的预应力状态，待结构稳定后在短时间内完成应力释放(内压卸载)，利用动响应分析方法，获得冲击测点处的时域响应，最后得到结构应力释放的冲击响应谱。分析中应力释放(内压卸载)过程的时间是关键参数，是参考舱段分离时间(1 ms)确定的。

2.3 高频冲击环境的合成

在实际中无论是火工装置产生的高频冲击，还是应力释放产生的高频冲击，都存在一定的随机性，两激励源之间不存在相互关联关系，可认为激励源的分布是相互独立的，因此在冲击响应谱合成过程中，均值采用线性叠加方法，偏差采用标准差合成方法。

根据上述分析结果和原则，预示确定了某线式分离方案分离过程中的两激励因素合成冲击响应谱及其上下偏差(图5)，在冲击响应谱峰值频率附近，火工爆炸约占55%～60%(图2与图5均值的比值)，结构高应力释放约占45%～40%(图4与图5均值的比值)。因此结构高应力释放对高频冲击环境的贡献不可忽略，在地面试验设计和考核验证过程中，必须同时模拟火工品和高应力释放的共同作用。

图5 某线式分离方案的冲击环境及其偏差预示结果Fig.5 The SRS prediction and deviations of the linear separation design

3 分离高频瞬态冲击环境的试验验证

根据某线式分离高频瞬态冲击环境的预示结果和分析结论，在该冲击环境的获取和验证、弹上产品对高频冲击环境的适应性考核等过程中，综合考虑试验成本、技术难度等其他因素，分别开展了火工装置单独作用、火工装置+结构高应力释放联合作用时的分离试验，获取了相应状态的高频冲击环境，一定程度上验证了冲击环境的预示结果和分析结论。

3.1 火工装置单独作用的试验结果

利用真实舱段结构及火工装置，开展了多次分离试验(S1～S3)，试验过程中未模拟舱内压力，测量得到了火工装置单独作用时冲击测点处的冲击环境，并采用李会娜等[9]推荐的对数正态分布假设统计估计方法，得到P95/50值最高期望环境。与外推预示结果相比(图6)，轴向的试验结果(图6(a))与预示结果较为吻合，最大量级均为6 000 g左右；但径向的试验结果(图6(b))与预示结果偏差较大，仅为预示结果的50%(-6 dB)左右。径向预示误差显著大于轴向预示误差的原因为：在火工品冲击环境预示过程中，主要参考了相似型号(仅采用火工品)分离试验的轴向测量数据(大于径向冲击量级)，忽视了各方向高频冲击环境之间的差异，因此在利用外推法进行冲击环境预示时，应关注参考数据的方向差异性。

图6 火工装置的冲击环境试验结果及预示结果对比Fig.6 The SRS prediction and test results of the pyrotechnic device

3.2 火工装置+结构高应力释放综合作用的试验结果

利用真实分离结构及火工装置，再次开展了两次分离试验(地面试验S4和飞行试验F1)，试验过程中模拟舱内压力，测量得到了火工装置及结构高应力释放综合作用时冲击测点处的冲击环境，并与预示结果进行对比(图7)。可见，除100 Hz以下低频段以外，轴向的试验结果(图7(a))与预示结果较为吻合，最大量级均为10 000 g左右，误差在±1dB范围内，拐点频率在3 000 Hz附近；径向的试验结果(图7(b))与预示结果偏差稍大，在拐点频率3 000 Hz附近，量级误差为20%(-2 dB)左右；上述分离冲击环境预示分析方法的偏差小于±3 dB，可用于制定高频冲击环境条件。径向预示误差稍大的原因是，3.1节中火工品冲击环境的径向预示偏差较大(-6 dB)。

图7 火工装置及高应力释放综合冲击环境试验结果及对比Fig.7 The SRS prediction and test results of the separation design

4 高频冲击环境天地差异性分析

以轴向为例，对比飞行试验(F1)与四次地面试验(S1～S4)相同结构位置处的高频冲击环境测量结果(图8、表1)，可见地面试验S1～S3较为一致，地面试验S4与飞行试验F1较为吻合。由于各次试验的分离结构、火工装置等技术状态相同，主要差异原因是地面试验S1～S3均未模拟舱内压力，冲击测量结果中不含结构应力释放产生的高频冲击；而地面试验S4和飞行试验F1均模拟了舱内压力。同时也可发现，两组数据中峰值频率也发生了一定变化。

图8 相同位置不同试验状态的冲击响应谱对比(轴向)Fig.8 The axial SRS results from several tests

试验编号S1S2S3S4F1试验 火工装置/(g·m-1)4.64.64.64.64.6状态 舱内压力P/MPa表压0.000.000.000.750.93冲击响应谱最大值/g43004800420077009700对应频率/Hz34003200310048004600

表中冲击响应谱峰值和舱内压力状态的关系曲线如图9所示。数据的拟合结果表明，冲击响应谱峰值增量与舱内压力的关系近似为：

SRSpress=3 030p3+3 400p

(1)

图9 冲击响应谱峰值与舱内压力的关系Fig.9 The relationship between SRS peaks and internal pressures

模拟舱内压力和未模拟舱内压力的两种试验状态的统计分析结果(P95/50)如表2所示，将模拟舱内压力状态下的试验结果作为该分离方案的总冲击量级，将未模拟舱内压力状态的试验结果作为火工品对总冲击量级的贡献部分，将剩余部分作为结构应力释放对冲击量级的贡献。

可见在该分离方案中，火工装置产生的高频冲击占总冲击量级的60%(轴向)～30%(径向)；而由于舱内压力较大(1 MPa)，舱体结构应力较大，结构高应力释放产生的冲击环境能够占到总冲击量级的40%(轴向)～70%(径向)，与SN9400系列爆炸螺栓[8]的比例基本相当，但峰值频率变化规律存在较大差异。

表2 各冲击激励源对冲击环境的贡献

5 结 论

本文以某线式分离系统设计方案为例，开展了冲击激励源的全面分析，并利用预示分析和试验的方法，获得了火工装置动作、结构高应力释放、以及综合作用产生的冲击环境。辨识出结构高应力释放对冲击环境的影响作用，弄清了各次地面试验和飞行试验之间冲击环境的差异原因。综合预示和试验结果，可得到以下结论和建议：

(1) 高频瞬态冲击的激励源不仅仅是火工装置，被连接结构的高应力释放也能产生较大的冲击环境，并与火工装置产生的高频冲击相叠加，产生更恶劣的高频瞬态冲击环境。舱内压力较大(1 MPa)时，结构高应力释放产生的冲击环境可能占总冲击量级的40%(轴向)～70%(径向)；

(2) 多激励源的冲击环境预示及合成，均值可采用线性叠加方法，偏差可采用标准差合成方法，但峰值频率的预示偏差较大。建议深入研究多冲击激励源的相互影响相互叠加的机理，对冲击响应谱峰值频率偏移的现象开展更细致的分析。

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Influences of higher stress relaxation of separating structures on high frequency shock environments

GAO Qing1,2, CHEN Xinmin2, ZHAO Yonghui1

(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

Currently, the high frequency shock environments produced by pyrotechnics receive much attention except influences of high stress relaxation. In a certain high frequency shock environment analysis, all affecting factors were considered, especially, the influences of separating structures’ higher stress relaxation on high frequency shock environments were studied. All reasons causing the difference between ground test and flight tests were clarified.

high frequency shock higher stress; relaxation; difference between flight test and ground test

2015-07-06 修改稿收到日期：2015-11-04

高庆 男，硕士，高级工程师，1982年4月生

赵永辉 男，教授，博士生导师，1969年11月生

V216.5

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.21.026