0 引言
研究高压载荷下柔性接头摆动性能可以为导弹飞行控制提供依据,并为柔性接头的设计提供有益的参考。文中通过试验与仿真对照的方法探究了柔性接头工程应用中轴向压缩位移、摆动力矩、接头层间应力、应变与失效模式的内在联系。
1 物理模型与计算方法
柔性接头冷气试验系统如图2所示。压力容器连接高压气瓶模拟工作压力载荷,通过液压伺服系统驱动柔性接头按预定程序周期性摆动,两个水平位移传感器用于测试摆角,竖直位移传感器结合水平传感器可捕捉轴向压缩位移和摆心,力传感器用于测试伺服机构作动力,结合摆心即可计算作动力矩。
文中通过有限元分析计算了某型号柔性接头在高压载荷下的摆动响应过程。柔性接头进行平面摆动时,几何构型与作用载荷关于作动平面对称,因此在对柔性接头摆动特性进行有限元分析时可以对模型进行适当简化,只建立1/2模型,如图3所示。该模型共约112 000个单元,其中增强件和弹性件沿厚度方向划分2层网格,弹性件橡胶材料全部采用杂交C3D8H单元,增强件、活动体及固定体等金属件采用减缩积分单元C3D8R模拟,承压盖板使用刚体R3D4单元。
对称面φ=0°、180°施加位移对称边界条件,在固定体前后法兰面上施加固定约束。压力载荷均匀作用于活动体所有内部表面。在其顶面中心处设置关键点,建立与活动体之间的刚性连接,在其上施加集中力载荷以实现柔性接头驱动力载荷加载。
增强件及前后法兰材料05Cr17Ni4Cu4Nb为线弹性材料,其弹性模量E=1.97 GPa,泊松比μ=0.29,屈服强度σs=863 MPa。弹性件材料力学特性由ODGEN二阶本构模型表征。
W= $\sum _{i=1}^{N}\frac{2{\mu }_{i}}{{\alpha }_{i}^{2}}\left({\lambda }_{1}^{{\alpha }_{i}}+{\lambda }_{2}^{{\alpha }_{i}}+{\lambda }_{3}^{{\alpha }_{i}}-3\right)$ + $\sum _{i=1}^{N}\frac{1}{{D}_{i}}{\left(J-1\right)}^{2i}$
式中:Di、αi和μi为待定材料模型参数;λ1、λ2和λ3为主伸长率;J为弹性体积比,当材料不可压缩时,J=1。
2 计算结果与分析
超弹性材料应力-应变行为呈现高度非线性,进行包含弹性件的柔性接头的结构特性有限元仿真时,要同时解决橡胶弹性件的材料非线性问题和柔性接头几何结构的非线性问题,Newton-Raphson方法能将非线性方程线性化来求解非线性问题。文中有限元分析方法基于以下假设:
1)柔性接头弹性件不可压,且在形变前为各向同性;
2)弹性件橡胶材料满足ODGEN二阶本构方程的描述;
3)计算中忽略动态因数导致的惯性力影响,摆动的响应过程作准静态处理。
2.1 柔性接头结构完整性
增强件主要区域应力在400 MPa以下,如图7所示,远低于材料屈服强度863 MPa。综上所述,排除疲劳破坏的影响,该柔性接头弹性件和金属件能在高压载荷工况下保持结构完整性。
2.2 弹性摆动力矩
在球坐标系下,以摆心为圆心,取某球面上弹性件单元,研究该单元上的应力对摆心的力矩效果。如图8所示。所选单元坐标(Ri、θi、ϕi),单元剖面应力为σ11、τ12、τ13,C3D8H单元其他5个单元面上的应力对于所取球面为内力,因此不作考虑。其中σ11经过摆心,不产生力矩;τ12、τ13为转动过程中的纬向剪应力和经向剪应力,他们是弹性件沿摆心转动时剪切变形直接引起的。因此,将球面上所有单元的τ12、τ13对摆心取矩并积分求和,即得接头转动所需的弹性力矩,计算公式为:
2.3 接头轴向刚度
柔性接头在高压载荷下的刚度直接影响喷管的摆心漂移,是影响喷管性能的重要指标。图12是不同压力载荷下前后法兰的轴向位移试验结果和数值分析结果对比。结果表明,柔性接头轴向压缩位移随压力的增加而增加,但上升趋势逐渐放缓。采用ODGEN二阶本构方程计算的结果在低压载荷区与试验结果较吻合,而在高压载荷区,数值分析结果略低于试验结果。试验中柔性接头在容压为12.3 MPa时的合成轴向位移约为1.35 mm,略高于计算结果1.05 mm。分析认为这种差异是由仿真过程中对柔性接头有限元模型施加了较多的固定约束,同时忽略了封头的弹性形变造成的。
3 结论
使用单轴拉伸与简单剪切橡胶材料试验数据,获得了橡胶本构方程材料系数,建立了以柔性接头为研究对象的三维有限元模型,通过计算和试验对照,给出了柔性接头在高压载荷下工作的3个结论:
1)采用ODGEN的二阶本构方程进行有限元计算能有效的预示柔性接头在高压载荷条件的弹性力矩、轴向刚度、应力应变分布及失效模式等,为柔性喷管复杂工程问题的数值解法提供了参考;柔性接头轴向压缩位移随压力的增加而增加,但上升趋势逐渐放缓。计算的结果在低压载荷区与试验结果较吻合,而在高压载荷区,数值分析结果略低于试验结果。
2)弹性件出现较高的应力集中位于柔性接头0°和180°摆动平面,该区域是接头摆动过程中最先疲劳失效的区域,接头局部疲劳失效是后续重点研究方向。
3)驱动柔性接头转动的力主要是为了克服弹性件的剪切应力,其经向剪应力τ13远大于纬向剪应力τ12,影响接头弹性力矩的主要是材料的剪切模量。