多瓣冲破式复合材料易碎盖的优化设计与实验研究

• 作 者: 李文龙
• 机 构: 南京航空航天大学
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 复合材料 多瓣式易碎盖 优化设计 导弹发射箱盖 有限元模拟

作为导弹发射系统的重要组成部分，导弹发射箱盖既要承受导弹存放时发射箱内的贮存压力，保证发射箱的气密性，同时导弹发射时必须及时打开。传统的导弹发射箱盖一般采用机械盖或爆破盖，但这种箱盖存在质量大、反应慢、维修和装填复杂等缺陷。采用复合材料易碎盖代替原有的金属盖已经成为了导弹发射领域的研究热点之一，考虑到整体冲破式复合材料易碎盖抛出体重量较大，可能会对周围的设备造成威胁，因此，本文对多瓣冲破式复合材料易碎盖进行了优化设计、有限元模拟和实验研究。　　首先，提出了两种盖体外形设计方案，通过有限元分析对比，决定选用球形盖体结构，并将多瓣式易碎盖分为三部分：框架、薄弱区和分离体子盖。通过比较各种复合材料连接形式，选择双搭接对接胶接形式作为易碎盖的薄弱区结构。　　然后，提出了一种多瓣式复合材料易碎盖分区优化设计模型。针对复合材料铺层厚度和铺层顺序的优化变量都具有离散化的特点，利用 iSIGHT自带的多岛遗传算法集成有限元Patran/Nastran对复合材料易碎盖进行了铺层优化设计。　　其次，计算了两种薄弱区结构在不同载荷工况下的失效强度，同时绘制了强度包络线，得到了搭接厚度与搭接长度的变化对薄弱区承载能力的影响规律，为本文薄弱区结构的参数选择提供了依据。　　接着，采用Fluent对导弹发射时发射筒内的流场进行了数值模拟，发现气流刚接触易碎盖至达到开盖压力用时4ms左右。基于等强度设计原则，提出了一种薄弱区选取方案，并利用ABAQUS/Explict对多瓣式易碎盖冲破过程进行了仿真，结果表明：多瓣式易碎盖从损伤到分离仅耗时0.2ms，基本保证了各薄弱区结构同时发生破坏，并且仿真结果与设计值非常接近。　　最后，采用手糊和真空辅助成型工艺制作了3个多瓣式复合材料易碎盖，利用设计的模拟发射装置对易碎盖进行了正向承压、反向承压和冲破实验，实验结果表明：设计的多瓣式复合材料易碎盖满足承压工况下的指标要求，且冲破性能稳定，分离体可沿预设轨迹四散飞出，验证了本文设计方案的可行性。