基于虚拟样机的安全自毁装置安装设计与仿真

冷 月 冯韶伟 周 鑫 赵 婷 郑正路



基于虚拟样机的安全自毁装置安装设计与仿真

冷 月1冯韶伟1周 鑫1赵 婷1郑正路2

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京100076；2. 中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076）

为提高运载火箭结构总体设计质量，提前发现设计缺陷，减少设计周期及成本，利用Creo 2.0软件建立安全自毁装置虚拟样机系统，利用Abaqus 6.11 Standard软件对安装结构的强度及刚度进行有限元分析，利用CATIA软件对安装及解锁确认流程进行了人机工程仿真。仿真分析表明，在飞行载荷作用下，安全自毁装置安装结构刚度与强度满足要求；安全自毁装置总装总体布局及安装结构设计合理，满足发射场安装及解锁确认操作要求，为后续虚拟样机技术在运载火箭上产品安装设计与仿真的应用提供技术基础。

虚拟样机；安全自毁装置；有限元仿真；人机工程

1 引言

安全自毁装置是运载火箭安全控制系统的重要终端，当火箭飞行偏离弹道时实现自毁功能，以免造成人员和财产损失[1]。安全自毁装置在发射前安装并需手动解锁及确认激活状态。为了适应运载火箭快速检测、快速发射的理念，实现安全自毁装置的可靠安装及解锁确认至关重要。传统的安装设计是设计人员凭借经验，采用二维设计方式，通过实物模装或地面静力试验验证设计的正确性，此种设计方式具有依赖设计经验、开发周期长、研制成本高的缺点。虚拟样机是物理样机的数字化仿真模型, 利用虚拟样机可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估[2～5]。虚拟样机技术可以有效提前发现设计缺陷、降低技术风险、提高设计质量、缩短研制周期并节约研制经费[6，7]。本文建立了安全自毁装置的虚拟样机系统，对安装结构的强度及刚度进行了有限元分析，并对安装及解锁确认流程进行了人机工程仿真，为设计方案的确定提供了有力的仿真依据。

2 安全自毁装置的结构组成及工作原理

安全自毁装置主要由起爆装置和爆炸装置组成。起爆装置具有安全保险和起爆性能，爆炸装置具有毁伤性能。安全自毁装置在临射前装箭，手动保险杆沿装置轴线向下拔出以解锁起爆装置，并通过观察孔观察解锁激活状态。

3 安全自毁装置虚拟样机建立

3.1 安全自毁装置总体布局

为保证火箭飞行偏离弹道时，安全自毁装置能够实现将前后两贮箱同时炸开，推进剂泻出，因此将自毁装置安装于两贮箱之间的箱间段内，并且自毁装置的轴线与箭体轴线平行。为给自毁装置提供良好的振动环境，避免剧烈振动造成其误爆炸，将其通过支架安装于振动环境较好的燃箱前底。由于自毁装置在临射前安装，并且射前需拔出手动保险杆以解锁起爆装置，通过观察孔观察解锁激活状态，因此将自毁装置布局于箱间段舱口附近，便于操作与观察。

利用Creo2.0三维设计软件制作完成箭体结构及安全自毁装置的三维数模后，按照上述总体布局关系对三维数模进行装配，构成安全自毁装置虚拟样机。

3.2 安全自毁装置安装结构设计

安全自毁装置安装结构需要具有足够的刚度与强度，以满足飞行过程中的过载要求，避免结构出现较大变形与破坏，影响自毁装置工作性能甚至飞行安全。为了避免浪费运载能力，航天产品尤其注重结构效率，因此安装结构应在满足强度与刚度的前提下，结构简单、重量轻巧。由于安全自毁装置在临射前需拔出手动保险杆并且通过观察孔观察解锁到位情况，因此安装结构需提供操作及观察口。按照上述结构设计要求，安全自毁装置安装结构如图1所示。

图1 安全自毁装置安装结构

4 安装结构有限元分析

安全自毁装置支架厚度为5mm，重量为6.5kg，最大轴向过载31.12g。本文采用有限元分析软件Abaqus 6.11 Standard对安装结构的强度与刚度进行仿真分析。计算模型中的必要材料性能见表1。

表1 材料性能参数

4.1 分析模型建立

有限元分析模型如图2所示，模型为静力分析模型，有限元分析时考虑了材料、几何非线性。分析模型中将支架简化成板壳模型，均采用壳单元进行离散。其中支架模型中含有4.4万个单元。模型中基本单元尺寸为3.0mm。

固定支架下侧，在圆孔中心点处建立参考点，参考点与结构进行耦合。根据拉、压载荷的不同，建立了不同耦合方式，具体情况如图3所示。

a 拉工况      b 压工况

4.2 分析工况及其载荷情况

根据载荷要求，支架上有效载荷重量6.5kg，最大轴向过载31.12g。折算得到作用力为2023N。方向沿安装圆孔的中心线，如表2所示。支架载荷施加情况如图4所示。

表2 工况载荷情况

4.3 分析结果

4.3.1 轴拉工况

图5为支架轴向位移云图，可以看到在螺孔附近的位移最大，为0.43mm。

图6是沿安装面内侧圆环路径下的轴向位移曲线图，曲线的起始点为矮边侧。可以看到，在缺口区的位移最大，为0.43mm。

图7和图8分别为结构整体应力云图及局部应力云图，可以看到，结构应力水平较低。

图7 结构整体应力云图

图8 局部应力云图

4.3.2 轴压工况

图9为支架的轴向位移云图，可以看到结构整体位移很小。

图10是沿安装面内侧圆环路径下的轴向位移曲线图，曲线的起始点为矮边侧。可以看到，在缺口区的位移最大，为0.43mm。

图11为结构整体应力云图，可以看到，结构应力水平很低。

图11 结构整体应力云图

上述分析结果表明，在飞行载荷作用下，安全自毁装置安装结构刚度与强度满足要求，能够避免出现较大变形与破坏，具体分析结果见表3。

表3 安装结构最大位移与应力

5 安装流程人机工程仿真

安全自毁装置安装流程人机工程仿真主要针对自毁装置安装及解锁确认两个方面开展。本文采用CATIA软件人机工程仿真模块，在安全自毁装置虚拟样机的基础上，利用3D人体模型技术建立操作人员的数字模型，实现对安全自毁装置安装流程人机工程仿真，使安装流程更加形象、逼真和准确；不需采用实物模装试验即可在设计早期发现不协调问题、规避操作风险，有效地缩短研制周期、降低生产成本。

5.1 安全自毁装置安装

安全自毁装置安装操作包含自毁装置通过箱间段操作口安装于舱内结构上并拧紧安装紧固件。经仿真可知箱间段操作口尺寸及安装结构位置合适，操作人员站在舱门处可实现安全自毁装置的入舱安装。安全自毁装置的安装紧固能够实现可视性及可达性要求，满足自毁装置与安装结构可靠连接的设计要求。

5.2 安全自毁装置解锁确认

安全自毁装置解锁确认操作包含通过安装结构操作口将手动保险杆取出并且通过观察孔观察解锁到位情况。经仿真可知安装结构操作口尺寸及位置合适，保险杆可通过操作口和舱门顺利取出并且通过观察孔观察的可视性良好，满足安全自毁装置解锁确认要求。

6 结束语

本文建立了安全自毁装置的虚拟样机系统，对安装结构的强度及刚度进行了有限元分析，分析表明，在飞行载荷作用下，安全自毁装置安装结构刚度与强度满足要求，能够避免出现较大变形与破坏；对安装及解锁确认流程进行了人机工程仿真，仿真表明安全自毁装置总装总体布局及安装结构设计合理，满足发射场安装及解锁确认操作要求，为设计方案的确定提供了极大的帮助。

1 龙乐豪. 总体设计[M]. 北京：宇航出版社，1993

2 王刚，杨莺，刘少军. 虚拟样机技术在工程机械领域的应用[J]. 工程机械，2003(8)：11～13

3 李峰，徐诚，王永娟. 轻武器虚拟样机有效性研究[J]. 机械设计，2007(7)：45～47

4 刘志刚，方立霞，訾珩，等. 基于虚拟样机技术的凸轮机构的设计与研究[J]. 机械工程师，2016(12)：102～105

5 汤瑞清，郭利. 基于虚拟样机技术的汽车悬架转向系的研究[J]. 机械设计与制造工程，2016(12)：13～16

6 钟佩思，刘梅. 基于虚拟样机的复杂产品协同设计与仿真关键技术研究[J]. 计算机应用研究，2006(7)：44～47

7 臧希恒，唐硕，闫晓东. 亚轨道飞行器返回段动力学虚拟样机设计[J]. 计算机辅助工程，2008(4)：18～23

Installation Design and Simulation of Safety Self-destruction Device Based on Virtual Prototype

Leng Yue1Feng Shaowei1Zhou Xin1Zhao Ting1Zheng Zhenglu2

(1. Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to improve the overall design quality of the carrier rocket structure, find design defects in advance, reduce design cycle and cost, the Creo 2.0 software is used to establish the safe self-destruction device virtual prototyping system. The Abaqus 6.11 Standard software is used to analyze the strength and stiffness of the installation structure and the CATIA software is ergonomically simulated for the installation and unlocking process. The simulation analysis shows that the stiffness and strength of the safety self-destruction device installation structure meet the requirements and the safety self-destruction device assembly overall layout and installation structure design is reasonable which provides the technical foundation for the application of virtual prototyping technology in the design and simulation of the installation of the rocket.

virtual prototyping；safe self-destruction device；finite element simulation；ergonomics

冷月（1987），硕士，运载火箭结构总体设计专业；研究方向：运载火箭结构总体设计。

2017-06-29