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基于虛擬樣機的安全自毀裝置安裝設(shè)計與仿真

文檔作者：冷月1 馮韶偉1 周鑫1 趙婷1 鄭正路2 文檔來源： 1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 2. 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月07日
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設(shè)計·工藝 航天制造技術(shù)
43
基于虛擬樣機的安全自毀裝置安裝設(shè)計與仿真
冷 月1 馮韶偉1 周 鑫1 趙 婷1 鄭正路2
（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076）
摘要：為提高運載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計質(zhì)量，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，減少設(shè)計周期及成本，利
用Creo 2.0 軟件建立安全自毀裝置虛擬樣機系統(tǒng)，利用Abaqus 6.11 Standard 軟件對安裝結(jié)構(gòu)的
強度及剛度進行有限元分析，利用CATIA 軟件對安裝及解鎖確認流程進行了人機工程仿真。
仿真分析表明，在飛行載荷作用下，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強度滿足要求；安全自毀裝
置總裝總體布局及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足發(fā)射場安裝及解鎖確認操作要求，為后續(xù)虛擬樣機
技術(shù)在運載火箭上產(chǎn)品安裝設(shè)計與仿真的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：虛擬樣機；安全自毀裝置；有限元仿真；人機工程
Installation Design and Simulation of Safety Self-destruction Device
Based on Virtual Prototype
Leng Yue1 Feng Shaowei1 Zhou Xin1 Zhao Ting1 Zheng Zhenglu2
(1. Beijing Institute of Aerospace System Engineering, Beijing 100076;
2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)
Abstract：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.
Key words：virtual prototyping；safe self-destruction device；finite element simulation；ergonomics
1 引言
安全自毀裝置是運載火箭安全控制系統(tǒng)的重要終
端，當(dāng)火箭飛行偏離彈道時實現(xiàn)自毀功能，以免造成
人員和財產(chǎn)損失[1]。安全自毀裝置在發(fā)射前安裝并需手
動解鎖及確認激活狀態(tài)。為了適應(yīng)運載火箭快速檢測、
快速發(fā)射的理念，實現(xiàn)安全自毀裝置的可靠安裝及解
鎖確認至關(guān)重要。傳統(tǒng)的安裝設(shè)計是設(shè)計人員憑借經(jīng)
驗，采用二維設(shè)計方式，通過實物模裝或地面靜力試
驗驗證設(shè)計的正確性，此種設(shè)計方式具有依賴設(shè)計經(jīng)
驗、開發(fā)周期長、研制成本高的缺點。虛擬樣機是物
理樣機的數(shù)字化仿真模型, 利用虛擬樣機可代替物理
樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估[2～5]。虛擬樣機
技術(shù)可以有效提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷、降低技術(shù)風(fēng)險、提
高設(shè)計質(zhì)量、縮短研制周期并節(jié)約研制經(jīng)費[6，7]。本文
建立了安全自毀裝置的虛擬樣機系統(tǒng)，對安裝結(jié)構(gòu)的
強度及剛度進行了有限元分析，并對安裝及解鎖確認
流程進行了人機工程仿真，為設(shè)計方案的確定提供了
有力的仿真依據(jù)。
作者簡介：冷月（1987），碩士，運載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計專業(yè)；研究方向：運載火箭結(jié)
構(gòu)總體設(shè)計。
收稿日期：2017-06-29
萬方數(shù)據(jù)
設(shè)計·工藝 2017 年8 月第4 期
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2 安全自毀裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理
安全自毀裝置主要由起爆裝置和爆炸裝置組成。
起爆裝置具有安全保險和起爆性能，爆炸裝置具有毀
傷性能。安全自毀裝置在臨射前裝箭，手動保險桿沿
裝置軸線向下拔出以解鎖起爆裝置，并通過觀察孔觀
察解鎖激活狀態(tài)。
3 安全自毀裝置虛擬樣機建立
3.1 安全自毀裝置總體布局
為保證火箭飛行偏離彈道時，安全自毀裝置能夠
實現(xiàn)將前后兩貯箱同時炸開，推進劑瀉出，因此將自
毀裝置安裝于兩貯箱之間的箱間段內(nèi)，并且自毀裝置
的軸線與箭體軸線平行。為給自毀裝置提供良好的振
動環(huán)境，避免劇烈振動造成其誤爆炸，將其通過支架
安裝于振動環(huán)境較好的燃箱前底。由于自毀裝置在臨
射前安裝，并且射前需拔出手動保險桿以解鎖起爆裝
置，通過觀察孔觀察解鎖激活狀態(tài)，因此將自毀裝置
布局于箱間段艙口附近，便于操作與觀察。
利用 Creo2.0 三維設(shè)計軟件制作完成箭體結(jié)構(gòu)及
安全自毀裝置的三維數(shù)模后，按照上述總體布局關(guān)系
對三維數(shù)模進行裝配，構(gòu)成安全自毀裝置虛擬樣機。
3.2 安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計
安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)需要具有足夠的剛度與強
度，以滿足飛行過程中的過載要求，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較
大變形與破壞，影響自毀裝置工作性能甚至飛行安全。
為了避免浪費運載能力，航天產(chǎn)品尤其注重結(jié)構(gòu)效率，
因此安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)在滿足強度與剛度的前提下，結(jié)構(gòu)簡
單、重量輕巧。由于安全自毀裝置在臨射前需拔出手
動保險桿并且通過觀察孔觀察解鎖到位情況，因此安
裝結(jié)構(gòu)需提供操作及觀察口。按照上述結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，
安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)
4 安裝結(jié)構(gòu)有限元分析
安全自毀裝置支架厚度為5mm，重量為6.5kg，
最大軸向過載31.12g。本文采用有限元分析軟件
Abaqus 6.11 Standard 對安裝結(jié)構(gòu)的強度與剛度進行仿
真分析。計算模型中的必要材料性能見表1。
表1 材料性能參數(shù)
材料名 彈性模量/MPa 泊松比 密度 t/mm3 屈服極限/MPa 強度極限/MPa 最大延伸率 使用范圍
Al_BC-5A06_O 68600 0.32 2.64E-009 157 314 0.15 支架
4.1 分析模型建立
圖2 有限元分析模型
有限元分析模型如圖 2 所示，模型為靜力分析模
型，有限元分析時考慮了材料、幾何非線性。分析模
型中將支架簡化成板殼模型，均采用殼單元進行離散。
其中支架模型中含有4.4 萬個單元。模型中基本單元尺
寸為3.0mm。
固定支架下側(cè)，在圓孔中心點處建立參考點，參
考點與結(jié)構(gòu)進行耦合。根據(jù)拉、壓載荷的不同，建立
了不同耦合方式，具體情況如圖3 所示。
a 拉工況 b 壓工況
圖3 支架拉、壓不同狀態(tài)下的參考點耦合方式
4.2 分析工況及其載荷情況
根據(jù)載荷要求，支架上有效載荷重量6.5kg，最大
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設(shè)計·工藝 航天制造技術(shù)
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軸向過載31.12g。折算得到作用力為2023N。方向沿安
裝圓孔的中心線，如表2所示。支架載荷施加情況如圖
4所示。
表2 工況載荷情況
序號 分析工況 載荷方向 載荷值/N
1 軸拉 軸拉向上 2023
2 軸壓 軸拉向下 2023
圖4 支架載荷施加情況
4.3 分析結(jié)果
4.3.1 軸拉工況
圖5 為支架軸向位移云圖，可以看到在螺孔附近
的位移最大，為0.43mm。
圖5 軸向位移云圖
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
軸向位移/mm
沿安裝面內(nèi)側(cè)環(huán)路徑/mm
圖6 沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線圖
圖 6 是沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線
圖，曲線的起始點為矮邊側(cè)?？梢钥吹剑谌笨趨^(qū)的
位移最大，為0.43mm。
圖 7 和圖8 分別為結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖及局部應(yīng)力
云圖，可以看到，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低。
圖7 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖
圖8 局部應(yīng)力云圖
4.3.2 軸壓工況
圖9 為支架的軸向位移云圖，可以看到結(jié)構(gòu)整體
位移很小。
圖 9 軸向位移云圖
圖 10 是沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線
圖，曲線的起始點為矮邊側(cè)?？梢钥吹?，在缺口區(qū)的
位移最大，為0.43mm。
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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
-0.45
-0.40
-0.35
-0.30
-0.25
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
軸向位移/mm
沿安裝面內(nèi)側(cè)環(huán)路徑/mm
圖 10 沿安裝面內(nèi)側(cè)圓環(huán)路徑下的軸向位移曲線圖
圖 11 為結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖，可以看到，結(jié)構(gòu)應(yīng)力
水平很低。
圖 11 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖
上述分析結(jié)果表明，在飛行載荷作用下，安全自
毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強度滿足要求，能夠避免出現(xiàn)
較大變形與破壞，具體分析結(jié)果見表3。
表 3 安裝結(jié)構(gòu)最大位移與應(yīng)力
序號 分析工況 最大位移/mm 最大應(yīng)力/MPa
1 軸拉 0.43 68
2 軸壓 0.43 48
5 安裝流程人機工程仿真
安全自毀裝置安裝流程人機工程仿真主要針對自
毀裝置安裝及解鎖確認兩個方面開展。本文采用
CATIA軟件人機工程仿真模塊，在安全自毀裝置虛擬
樣機的基礎(chǔ)上，利用3D人體模型技術(shù)建立操作人員的
數(shù)字模型，實現(xiàn)對安全自毀裝置安裝流程人機工程仿
真，使安裝流程更加形象、逼真和準(zhǔn)確；不需采用實
物模裝試驗即可在設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)不協(xié)調(diào)問題、規(guī)避操
作風(fēng)險，有效地縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本。
5.1 安全自毀裝置安裝
安全自毀裝置安裝操作包含自毀裝置通過箱間段
操作口安裝于艙內(nèi)結(jié)構(gòu)上并擰緊安裝緊固件。經(jīng)仿真
可知箱間段操作口尺寸及安裝結(jié)構(gòu)位置合適，操作人
員站在艙門處可實現(xiàn)安全自毀裝置的入艙安裝。安全
自毀裝置的安裝緊固能夠?qū)崿F(xiàn)可視性及可達性要求，
滿足自毀裝置與安裝結(jié)構(gòu)可靠連接的設(shè)計要求。
5.2 安全自毀裝置解鎖確認
安全自毀裝置解鎖確認操作包含通過安裝結(jié)構(gòu)操
作口將手動保險桿取出并且通過觀察孔觀察解鎖到位
情況。經(jīng)仿真可知安裝結(jié)構(gòu)操作口尺寸及位置合適，
保險桿可通過操作口和艙門順利取出并且通過觀察孔
觀察的可視性良好，滿足安全自毀裝置解鎖確認要求。
6 結(jié)束語
本文建立了安全自毀裝置的虛擬樣機系統(tǒng)，對安
裝結(jié)構(gòu)的強度及剛度進行了有限元分析，分析表明，
在飛行載荷作用下，安全自毀裝置安裝結(jié)構(gòu)剛度與強
度滿足要求，能夠避免出現(xiàn)較大變形與破壞；對安裝
及解鎖確認流程進行了人機工程仿真，仿真表明安全
自毀裝置總裝總體布局及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足發(fā)
射場安裝及解鎖確認操作要求，為設(shè)計方案的確定提
供了極大的幫助。
參考文獻
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2 王剛，楊鶯，劉少軍. 虛擬樣機技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 工程機械，
2003(8)：11～13
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45～47
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究[J]. 機械工程師，2016(12)：102～105
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與制造工程，2016(12)：13～16
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萬方數(shù)據(jù)

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