识别烟火冲击剪切式爆炸螺栓

文摘

产生的冲击源的识别剪切式爆炸螺栓,五种爆炸螺栓与不同的州,包括高预加载,低预加载,没有预加载,没有活塞剪切,只有推进剂燃烧,设计。四种冲击的解耦的来源,包括碰撞推进剂燃烧,活塞表面剪切疲弱,活塞行程,和预发布,实现了。他们在15厘米的冲击加速度响应源中心60厘米×60厘米×1厘米相当于铝板被使用压阻加速度计测量。在这个帐户,相对贡献值以及频率和平均相对值计算不考虑各种来源的频率高和低预加载。结果表明,不同冲击来源不同的特点,和推进剂燃烧引起的冲击主要是由高频,而活塞剪切和活塞的影响主要集中在中、低频。高预加载条件,预加载版本是主要因素整体冲击响应输出,占约57.51%,而三个冲击的贡献来源的推进剂燃烧,活塞剪切,和活塞的影响是等价的,但它们是重要的贡献者在低温胁迫条件预加载。这项研究提供了设计参考,减少剪切的烟火冲击爆炸螺栓类型。

1。介绍

爆炸螺栓是一种简单、高可靠、高效的烟火释放设备,广泛应用于航空航天、导弹武器,和水下发射系统,如助推火箭分离,分离阶段,整流罩分离,和外部坦克的释放1,2]。存在各种各样的爆炸螺栓的设计,可以分为高爆炸药类型和压力类型(3- - - - - -8]。打破螺栓、高爆炸药类型利用爆炸产生的冲击波,而压力类型利用爆炸和燃烧所产生的高压腔。压力类型是流行的优点:也就是说,它有相对较轻的冲击安装结构和不产生碎片和产品泄漏,即noncontamination,剪切式爆炸螺栓属于这种类型。

与各种烟火设备一样,爆炸螺栓的作用不可避免地导致高频率和高瞬态激振力幅值,称为冲击,很容易导致失败在附近的电子、光学、继电器和磁组件,最后导致整个空间任务失败(9- - - - - -11]。减轻损失冲击,大多数以前的研究在过去的半个世纪都集中在冲击传播和损伤评估与数值或实验方法,和大量的测试标准(11- - - - - -14和技术报告15,16)发表,而相对较少的研究已经报道了冲击的一代。过去打击预防措施也主要集中在孤立的冲击传播路径和仪表安装(17]。轻量级的空间结构的应用,如小卫星和深空探测器,上面的两个方法是有限的。因此,总的趋势似乎减少分离设备本身产生的冲击程度。

来自韩国的韩团队(4,18- - - - - -21深入分析和研究的分离机制“ridge-cut”爆炸螺栓AUTODYN自2004年以来。他们分析了电荷量的影响,螺栓身体和夹具之间的差距,脊角,和脊位置分离特性,并提出了三个改进,从阻止或减少输出冲击消散烈性炸药的冲击波传播而不考虑预加载引起的冲击响应。2015年,黄等。22]分析了爆炸螺栓预加载对输出的影响冲击LS-DYNA数值模拟。结果表明,预加载一定范围内减少了对冲击响应的影响中提起。与上述高爆炸药型螺栓、压式螺栓更复杂由于内部组件的运动,和研究相当少。2011年,你们和严23]烟火分离污点的冲动减少0.4 N从1.667 N·S·S两种技术方法的优化结构的大小和电荷量。2015年,刘等人。24)提取的速度和加速度的身体和活塞LS-DYNA和计算出爆炸螺栓的冲击力和冲动。然而,这并不是总响应输出的螺栓。

在这项研究中,冲击输出得到的可能来源的分离机理的分析爆炸螺栓的剪切类型。五种爆炸螺栓设计在不同的操作条件下进行冲击输出测试;与此同时,个人从每个源冲击响应计算与总体相比SRS。

2。结构和原理

剪切式爆炸螺栓下研究如图1(一)。它主要由点火器,烟火组件(包括主要充电和充电盒),活塞密封环,身体组件(包括螺栓,螺钉和锁紧螺母)。身体和活塞的材料,分别是1 60 si2mna cr11ni2w2mov耐热钢和弹簧钢。有一个预设削弱表面爆炸螺栓的身体能够承受一定的负荷。在连接状态,身体上舞台上螺丝,螺栓和螺钉穿过两个连接阶段可靠连接的锁紧螺母与一定的预加载,如图1 (b)。

分离过程的剪切式爆炸螺栓如图2。当目标的身体需要分开,点火器驱动初始化,然后点燃主(图2(一个)),产生高温高压燃气来推动活塞剪切弱面以及预加载发布(图2 (b))。完全弱面剪切时,活塞与螺旋加速前进,然后影响身体(图2 (c))停止运动;然后从活塞螺钉锁紧螺母的叶子完全分离(图2 (d))。两个密封圈密封腔中的燃烧产品实现noncontamination分离。

剪切式爆炸螺栓的物理图如图3。可以看出,螺栓的身体没有明显的变形和剪切表面整洁,没有多余的片段,这意味着剪切爆炸螺栓达到完美的分离和清洁。

根据剪切的分离机制类型爆炸螺栓(见图2),冲击一代的爆炸螺栓可能是由于四个主要事件:推进剂燃烧,活塞表面剪切削弱,螺栓预发布内部活塞的影响。确定他们的特点,设计特殊的测试需要。

3所示。烟火冲击测量爆炸螺栓剪切类型

冲击理论上可以描述为瞬态力,压力,速度,加速度。传统的测量方法已经开发出接触点测量现代非接触面积测量,如应变计、加速度计、激光多普勒振动计(ldv),激光多普勒加速度计(LDAc)和超高速扫描相机(25]。考虑到方便和成本,研究使用加速度计测量剪切式爆炸螺栓的冲击加速度,然后计算其反应谱。

3.1。实验装置

冲击爆炸螺栓的输出特征是有60厘米×60厘米×1厘米铝板暂停蹦极。爆炸螺栓螺纹在铝块(4厘米×4厘米×1厘米)和锁紧螺母连接应用预加载的长椅的另一边。为了准确加载拉伸力和记录其发布过程,一个压电圆力传感器放置在下盘和锁紧螺母之间。记录冲击响应的爆炸螺栓试验台,PCB压阻加速度计(型号3501 b1260kg)螺纹在板凳上15厘米的爆炸螺栓的中心。数据4和5分别显示了测试设置和测试场景示意图。

其测量原理:点火控制箱给点火器的点火信号,点燃;与此同时,数据采集仪器接收到触发信号的点火控制箱和开始工作。爆炸螺栓开始行动,释放螺钉,信号调整器放大和过滤器的信号传播力传感器输出的数据采集仪器,和螺栓预加载曲线。同时,爆炸行动传播所产生的冲击加速度计通过铝板,和加速度信号通过信号采集仪器上显示的护发素。

3.2。仪器和数据采集

mil - std - 810 g (12)要求对冲击加速度计测量应符合下列规定:横向灵敏度小于或等于5%,一个振幅线性内10%从5%到100%的峰值加速度振幅所需测试,和一个平坦的频率响应在±10%在10 - 20000赫兹频率范围。PCB 3501 b260kg加速度计的性能参数如表所示1。如表所示1PCB 3501 b260kg加速度计符合冲击测量的要求。

proshock冲击试验,它经常发生高频冲击是低频滚动。两种常见的方法通常用于防止混淆:使用一个强大的模拟抗锯齿(AAA)过滤策略;虽然这一战略提供了良好的去除,AAA级过滤器是身体大,昂贵的和固有的切断能力有限和相位匹配,和过采样方法,采样频率远远高于奈奎斯特频率,大多数的量化噪声分布在感兴趣的频率。本文采用第二种方法,对每个通道的信号采样率采集仪器设置为1 MHz。

3.3。典型的测试数据

冲击脉冲在不同距离爆炸螺栓被捕以及力传感器的输出和应用bridgewire电压。收集到的典型数据呈现在图6(输出冲击来源是15厘米的距离如图所示)。当点火器开始供电,点燃主负责,并产生高温高压气体推动活塞表面剪切弱随着预发布,时间是0.34毫秒。大约0.4毫秒后,疲弱的表面是完全剪,因为预加载完全释放。第一个峰值加速度是约11000 g,高峰时间是0.52毫秒,发生在预发布的过程。整个动作时间非常短,小于1毫秒,所以很难区分每个因素的贡献输出冲击加速度随时间的变化,尤其是活塞剪切过程用预加载的版本。

3.4。冲击响应谱

估计损失潜在产出的冲击,冲击响应谱(SRS)是常用的,数组的峰值加速度响应的单自由度系统(应用)有不同的固有频率(10]。每个应用系统的阻尼通常设置为0.05。选择取决于峰值加速度,SRS是分为积极的,消极的,小学,残余,maxima SRS。Maxima SRS通常用于冲击量化包括所有其他SRS。从测量加速度时间历史,maxima SRS计算的改进的递归数字滤波器的方法。为了消除高频噪声混叠,和较低的频率漂移,8阶巴特沃斯带通过滤波器应用到70赫兹和30千赫之间加速时间的历史。这个过滤器有一个衰减斜率60分贝/倍频程,满足美国国家航空航天局的要求标准。从加速度最大值SRS计算通过使用开源的MATLAB代码。

图7显示了典型的冲击响应谱。结果表明,最大峰值加速度超过30000 g和峰值频率超过8 kHz,这是典型的高频率和振幅振动。

4所示。烟火的分解分析冲击源

4.1。实验方案

识别四个主要来源,五个不同的州的爆炸螺栓的设计和测试上面的冲击试验台,和每个州测试三个样品。第一个状态是预加载10 kN,捕获的冲击贡献推进剂燃烧,活塞剪切弱点,内部活塞的影响,螺栓释放机制。第二个状态是一样的第一个除了2 kN的不同预加载预紧力的影响。第三个国家执行,而不是应用预加载隔离螺栓预加载产生的冲击释放机制。第四状态的身体分离提前捕捉推进剂燃烧波和内部活塞的冲击贡献的影响。活塞最后的状态是由钢垫圈和胶水固定,以便内部活塞不再移动,所以最后状态测试分离出推进剂燃烧波产生的冲击。在图所示的实验方案8。

4.2。结果和分析

为了提高数据的可信度,每个州测试三个样品。状态2的输出冲击数据呈现在图9随着比较冲击响应谱。由于烟火事件的随机性,有不同的加速时间历史和冲击响应谱的三个测试,但是差异很小,这表明样品具有良好的一致性,和其他州是相似的。每个国家的冲击响应谱的谱作为三个实验SRS。

冲击响应谱获得的不同的状态实验比较图10。从图可以看出10,结果是SRS(状态1)> SRS(状态2)> SRS (3) > SRS (4) > SRS(5),因为不同的国家包含不同冲击源。

为了量化SRS的差异在不同的国家,一个无量纲系数被定义为 在哪里的值是相对于在范围和频率SRS是基础。

根据(1),SRS的相对价值在不同的州的计算基于输出SRS爆炸螺栓预加载(状态1)高或低预加载(2)状态。

根据实验方案的描述,我们知道每个州的冲击源包含;因此,每个甚至对整体的贡献在10 kN SRS预加载可以计算如下: 在哪里 , , ,和分别是,以上四个州的相对系数基于状态1; , ,和分别计算的贡献推进剂燃烧,活塞剪切,活塞的影响,和预加载释放高预加载状态下(10 kN)。

类似地,每个源的贡献的总体SRS 2 kN预加载也可以计算如下: 在哪里 , , ,和分别是上述四个州的相对系数基于状态2; , ,和分别计算的贡献推进剂燃烧,活塞剪切,活塞的影响,和预加载释放高预加载状态(2 kN)。

根据(2),每个冲击源的贡献值计算不同频率下的爆炸螺栓状态1图所示(11日)。这表明,整体频率输出冲击的主要原因是预发布高预加载。活塞剪切的贡献主要是在低频率(低于2000赫兹)因为剪切弱面是一个塑性变形断裂的过程。在中频(2000 Hz - 7000 Hz),除了预装版本,主要驱动活塞影响冲击爆炸螺栓的输出。原因是活塞冲击特性与金属的影响和活塞旅行结束停止,可塑性变形。推进剂燃烧并不是一个重要的贡献者在中低频段(低于7000赫兹),但它是大于活塞剪切和活塞的影响在高频(高于7000赫兹)总是低于预加载。此外,它可以发现推进剂燃烧的配给总事件频率增加,这是符合燃烧冲击波的特性。

在低预加载(状态2),根据(3),每个冲击源的贡献在不同频率范围如图11 (b)。它表明,预加载的释放并不是一个重要的因素的总体冲击输出爆炸螺栓在低预加载,和其他分析是一样的高预加载。

为了全面评估每个冲击源的影响,平均每个冲击源的相对价值在整个频域计算 在哪里平均每个冲击源的相对价值在整个频率范围内,相对贡献值的特定冲击源在不同的频率,和分别是最低和最高频率分析,代表样本的频率向量的数量,和代表正常的总SRS爆炸螺栓预加载。

根据(4),平均结果如表所示2。如表2显示,冲击输出高剪切式爆炸螺栓的预加载条件的主要原因是释放预加载;其他来源的风险很小,而且大致相同,而他们是低预加载的主要贡献者。

5。结论

内部活塞的冲击响应输出推进剂燃烧,剪切弱点,内部活塞的冲击和螺栓预加载释放被测试五种解耦与不同状态爆炸螺栓。结果表明,不同冲击来源不同的特点,和推进剂燃烧引起的冲击主要是由高频,而活塞剪切和活塞的影响主要集中在中、低频。预加载的释放是一个主要贡献者整体冲击响应输出高预加载条件下,大约占57.51%,而其余的是小和等效。然而,在低预加载,预发布的贡献下降到13.15%。没有减少连接的可靠性和分离、剪切式爆炸螺栓的低冲击设计应该首先采取措施从预加载,比如添加一个多层垫片在预应变能量释放连接表面消散,并添加一个缓冲吸收活塞冲击能量也是有益的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

NSAF联合基金赞助的这项研究是中国国家自然科学基金和中国工程物理研究院(批准号U1530135)。

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