申请/专利权人：厦门振为科技有限公司

申请日：2018-05-11

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN108423200B

主分类号：B64G1/64

分类号：B64G1/64;B64G1/22

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2018.09.14#实质审查的生效;2018.08.21#公开

摘要：本发明公开了一种基于连续介质—非连续介质的火工分离用降冲击分离装置，火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递。通过建立连续‑非连续介质接触模型，并考虑长程力特性和“边界效应”基于键作用的近场动力学方法，并应用该模型分析火工分离装置的降冲击效果，该降冲击装置能够在附加质量较小的基础上，即可获得较为明显的降冲击效果，从而确保火工分离结构连接刚度和基频满足设计要求。

主权项：1.火工分离用降冲击分离装置，其特征在于：火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递；所述火工分离用降冲击分离装置包括：作为连续介质的安装部件，用于设置在待分离装置和火工装置间，所述安装部件的中部开设有若干孔，每个所述孔的中心线垂直于火工冲击路径方向；和若干粒子部件，每个所述粒子部件均插装固定于所述孔中，且其封闭壳体内填充有作为非连续介质的粒子，所述粒子的材料为金属或非金属；所述安装部件整体呈圆环形或多边形，所述粒子的密度为0.1~30gcm3。

全文数据：基于连续介质一非连续介质的火工分离用降冲击分离装置技术领域[0001]本发明首要的提出了应力波在颗粒系统中的能量耗散原理，并基于该原理用于火工分离缓冲技术领域，具体涉及一种火工分离用降冲击装置。背景技术[0002]颗粒材料在爆炸、冲击载荷作用下的动态力学行为一直是学术界关注的热点话题之一，颗粒系统与容器壁之间的相互作用是影响颗粒行为的重要部分，但目前少见研究，颗粒系统与容器壁之间发生点接触或微小面接触，且颗粒系统是几何高度非线性体，容器壁与颗粒系统接触间，冲击从连续介质向非连续介质传播过程中，应力波波振面的改变、颗粒系统的破坏与重构对降冲击效果具有重要影响。[0003]火工分离装置的类型很多，可以根据需要设计成任意形式的装置。目前，在卫星、导弹和运载火箭上使用的火工分离装置，按使用功能可分为解锁装置、作动装置和切割装置等。火工分离冲击是需要经受的最为严苛的力学环境之一，火工品爆炸瞬间会产生大量级的高频冲击载荷，这样的冲击载荷会在卫星上引起瞬间的宽频高量级的加速度响应。特别是，火工分离过程中高频冲击载荷对航天器上的精密电子设备和微机电设备产生危害。[0004]现有技术中，在航空航天工程领域，通常把对冲击敏感的元器件布置在远离火工冲击面较远的位置，通过延长冲击传递路径来衰减冲击强度。但是由于内部空间有限，分离结构降冲击能力有限，该方法很难减小大量级的冲击响应;除此之外，在工程实践中，在分离结构连接界面增加缓冲垫、缓冲孔，或者在复杂构型中增加缓冲块的方法来衰减冲击载荷，但是这种技术往往会大大降低火工分离结构的连接刚度和系统整体稳定性，增大装配难度。也就是说，仅通过延长冲击传递路径或者增加缓冲孔等办法，均无法明显降低大量级的冲击响应。[0005]有鉴于此，亟待针对现有火工分离降冲击技术进行优化设计，有效降低大量级的冲击响应。发明内容[0006]为解决上述技术问题，本发明提供一种基于连续介质一非连续介质的火工分离用降冲击分离装置，通过建立连续-非连续介质接触模型，并考虑长程力特性和“边界效应”基于键作用的近场动力学方法，并应用该模型分析火工分离装置的降冲击效果，该降冲击装置能够在附加质量较小的基础上，即可获得较为明显的降冲击效果，从而确保火工分离结构连接刚度和基频满足设计要求。[0007]本发明提供的基于连续介质一非连续介质的火工分离用降冲击分离装置，火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递。[0008]优选地，包括：[0009]作为连续介质的安装部件，用于设置在待分离装置和火工装置间，所述安装部件的中部开设有若干孔，每个所述孔的中心线垂直于火工冲击路径方向；和若干粒子部件，每个所述粒子部件均插装固定于所述孔中，且其封闭壳体内填充有作为非连续介质的粒子。[0010]优选地，所述安装部件的横截面具有中部竖直段，其上下两端分别用于与待分离装置和火工装置固定连接，若干所述孔设置在所述中部竖直段上。[0011]优选地，所述安装部件整体呈圆环形或多边形。[0012]优选地，每个所述粒子部件中所述粒子的半径r应满足以下公式：[0014]式中：[0015]Cl1为所述粒子部件插装孔的圆心沿火工冲击路径方向至所述安装部件的分离面的距离；[0016]D为垂直于火工冲击路径所形成的面的中心至所述粒子部件的距离；[0017]R为所述孔半径，并满足:RcU2;[0018]21和22分别为所述粒子部件两端悬出所述竖直段的长度，并满足:0Z1$D和OSZ2^D;[0019]h为粒子装置与所述安装部件的配合面宽度；[0020]ω为所述装置的一阶级固有频率；[0021]^为粒子与所述壳体内表面之间的摩擦系数；[0022]K1为粒子刚度系数；[0023]P为粒子的密度。[0024]优选地，所述粒子为直径0.001〜30mm的球体、长短轴长度均为0.001〜30mm的椭球体、边长为0.001〜30mm规则的多面体或边长为0.001〜30mm的不规则多面体;所述粒子部件的壳体内表面和所述粒子的表面配置为:表面摩擦因子为0.01〜0.99,表面恢复系数为0.01〜1，所述粒子的密度为0.1〜30gcm3;所述粒子的材料为金属、非金属或高分子复合材料。[0025]优选地，所述粒子部件的壳体壁厚为0.01〜30mm;所述壳体的内表面为圆柱体或多面体;所述粒子部件的壳体和所述安装部件的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、猛合金、钴合金或妈合金，或者上述合金中的多元合金制成。[0026]优选地，所述壳体内腔分隔为至少两个隔离腔体，每个所述隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子，其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸，所述粒子的填充率为10%〜100%。[0027]优选地，若干所述孔沿火工冲击路径方向设置为至少两排，且相邻两排的所述孔交错排布。[0028]优选地，所述粒子部件与所述安装部件间的固定方式为螺纹连接、键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接。[0029]针对现有技术，本发明另辟蹊径地提出了上述火工分离用降冲击方案。与现有技术相比，本方案在冲击路径上设置有连续介质和非连续介质，通过非连续介质建立多路径，应用本方案火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递。由此，达到有效降冲击的目的。同时，由于各向同性，对X、Y、Z向均有明显降冲击的效果，而且能够耐极高和极低温度，从而使得嵌入待分离装置和火工装置间的附加质量较小。如此设置，在不增加线位移和角位移的情况下有效耗散火工品爆炸带来的大量级能量，进而保证受保护结构的精密电子元件不受损害。附图说明[0030]图1为具体实施方式中所述火工分离用降冲击装置的结构示意图；[0031]图2为图1中所示火工分离用降冲击装置的主视图；[0032]图3为图2的A—A剖视图；[0033]图4为圆环形安装部件的结构示意图；[0034]图5为应用本方案所述部件与未设置部件的试验冲击载荷比较图；[0035]图6为本方案中粒子的半径r的计算基础矩形面尺寸图。[0036]图中：[0037]安装部件1、竖直段11、孔111、横向段12、粒子部件2、壳体21、壳本体211、端盖212、粒子22。具体实施方式[0038]为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。[0039]应用本实施方式提供的基于连续介质一非连续介质的火工分离用降冲击分离装置，火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递。由此，达到有效降冲击的目的。[0040]不失一般性，本实施方式以通用火工分离系统作为描述主体，详细说明本方案所述火工分离用降冲击装置。应当理解，通用火工分离系统及其具体功能结构，对于本申请请求保护的火工分离方案并未构成实质性的限制。[0041]请参见图1，该为本实施方式所述火工分离用降冲击装置的结构示意图。[0042]如图所示，该火工分离用降冲击装置包括作为连续介质的安装部件1，以及设置在安装部件1上的若干粒子部件2。具体来说，作为基础构件的安装部件1用于设置在待分离装置和火工装置间，在安装部件1的中部开设有若干孔111，每个孔111的中心线垂直于火工冲击路径方向；其中，每个粒子部件2均插装固定于相应的孔111中，且其封闭壳体21内填充有作为非连续介质的粒子22，也就是说，本方案在冲击路径上设置有粒子部件2，其空腔中的粒子22间通过非弹性碰撞建立多路径，从而火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构；同时，由于各向同性，各向均有明显降冲击的效果，使得嵌入待分离装置和火工装置间的附加质量较小。如此设置，在不增加线位移和角位移的情况下有效耗散火工品爆炸带来的大量级能量，进而保证受保护结构的精密电子元件不受损害。[0043]结合图2和图3所示，其中，图2为图1中所述火工分离用降冲击装置的主视图，图3为图2的A—A剖视图。[0044]如图所示，该安装部件1的横截面具有中部竖直段，其上下端分别用于与待分离装置和火工装置固定连接，其中部竖直段11上开设有若干孔111。需要说明的是，图中所示“工”字型横截面的安装部件仅为示意性图示，分别利用两个横向段12实现相应的固定连接，以清楚示出本方案核心构件的相对位置关系。[0045]以安装部件1与待分离装置的固定面为测试面，试验结果表明，安装部件1内没有增加粒子部件2时，火工分离面振动传递到测试点的重力加速度为6000g，增加粒子部件2后，相同测试振动点的重力加速度降低至3000g以下，而转换到粒子器的评定上，采用能量耗散系数作为评估依据，也即粒子器的能力耗散系数大于50%。经分析比较工程实验数据，并形成图5所示待分离装置侧冲击载荷的比较图，图中横坐标为固有频率，纵坐标为重力加速度，图5表明增设粒子部件2的重力加速度明显低于原有未设置粒子部件2的情形。[0046]此外，经分析比较参数变化时能力耗散系数的变化规律，可以确定的是，粒子参数主要考虑粒子的材质和粒径两个参数。其中，选择粒子材质的原则是保证耐磨性、耐高温性和化学稳定性，粒子的材料可以为金属或非金属，优选采用性能优异的高分子材料。粒子的粒径选择应当考虑以下因素:粒子所处的位置、振动的幅值和频率等因素，每个粒子部件2中所确定的粒子的半径r的最优值应满足以下公式：[0048]式中：[0049]Cl1为所述粒子部件插装孔的圆心沿火工冲击路径方向至所述安装部件的分离面的距离；[0050]D为垂直于火工冲击路径所形成的面的中心至所述粒子部件的距离;也即，该面的中心至所述粒子部件几何中心之间的距离；[0051]R为所述孔半径，并满足:di2;[0052]21和22分别为所述粒子部件两端悬出所述竖直段的长度，并满足:0Z1$D和OSZ2^D;[0053]h为粒子装置与所述安装部件的配合面宽度；[0054]ω为所述装置的一阶级固有频率；[0055]为粒子与所述壳体内表面之间的摩擦系数；[0056]K1为粒子刚度系数；[0057]ρ为粒子的密度。[0058]具体地，对于球体粒子来说，在上述公式的基础上其直径可选区间为0.001〜30mm〇[0059]当然，内置于壳体21中的粒子22的形状，也可以选择椭球体，长短轴长度均在0.001〜30mm区间；也可以为规则的多面体或者不规则多面体，其边长尺寸在0.001〜30mm区间。[0060]为了获得最佳的耗散能效果，对于粒子部件2的壳体21内表面和粒子22的表面，可以均配置为:表面摩擦因子为0.01〜0.99,表面恢复系数为0.01〜1。通过表面硬度处理，即可获得上述表面参数，其中，粒子的密度为0.1〜30gmm，进而获得更好的降冲击效果。其中，粒子部件2的壳体21内表面可以为图中所示的圆柱形，也可以根据具体工程需要设置为长方体或其他多面体，内壁可为光滑表面或非光滑表面。具体地，粒子部件2的壳体21壁厚为0.01〜30mm，具体尺寸应根据实际冲击源、冲击路径、结构冲击响应谱在不同频段的特性以及粒子密度、粒子粒径、粒子体积填充率、粒子表面摩擦因子、粒子表面恢复系数综合分析，通过对比不同参数组合下结构的效果，从而确定粒子部件2的参数组合。[0061]此外，粒子部件2的壳体21和安装部件1的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、猛合金、钴合金或妈合金，或者上述合金中的多元合金制成，即多种上述合金混合制成。[0062]另外，粒子部件2的壳体21结构可以为一体成形，具体在本体上开设工艺孔，经由该工艺孔填充粒子22进行封堵即可（图中未示出）。当然，壳体21也可以采用分体式结构，如图3所示，该壳体21具有一插装固定于安装部件1的竖直段11上的壳本体211，该壳本体21的开口端采用螺纹适配的端盖212,填充粒子22后旋紧该端盖212。进一步地，粒子部件2与安装部件1间的固定方式可以为螺纹连接、键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接，以建立可靠的固定连接关系。[0063]为了适应分离工况的差异性区别，可以针对粒子部件2作进一步优化。具体地，粒子部件2的壳体21内腔分隔为至少两个隔离腔体，每个隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子22,其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸，粒子22的填充率为10%〜1〇〇%，具体可根据实际需要进行选择，各粒子特征即可相同也可不同。例如，图3中所示粒子部件2,其轴向分隔为两个隔离腔体，且其左腔体内粒子尺寸小于右腔体内粒子的尺寸；显然，轴向分隔适用于粒子部件2内腔形状尺寸随着轴向变化较大的情况。当然，粒子部件2也可以径向分隔为多个隔离腔体，可有效增加粒子与壳体2内壁之间的接触面积，具体将类似内部形状尺寸的区域进行分类整理，从而分别匹配其最佳粒子，可最大限度地发挥粒子22的效果。[0064]这里，关于粒子部件2的排布方式，在保证安装部件1的结构刚度和强度的基础上，若干孔111沿火工冲击路径方向设置为两排，且相邻两排的所述孔交错排布，结合图2所示，在火工接口界面火工冲击路径上，使冲击尽可能多的经过粒子部件2，确保冲击传递路径上均具有粒子部件2穿过。当然，双排粒子部件2也可间隙的方式设置图中未示出）。[0065]需要说明的是，本实施方式提供的上述实施例，只要核心构思与本方案一致的火工分离降冲击的应用均在本申请请求保护的范围内。例如，用于容纳非连续介质一粒子的壳体不局限于图中所示圆柱状;再者，作为连续介质的安装部件1的形状不局限于图4中所示的环形，其具体尺寸及框形状可根据实际结构情况由不同尺寸的子框拼接成弧形、矩形或者多边形的安装部件，本领域技术人员基于本方案核心构思可以实现，故不再赘述。[0066]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.基于连续介质一非连续介质的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于：火药爆炸后的高能量应力波自固体连续介质传递到粒子系统的多路径非连续介质中，以破坏粒子系统的排列状态并形成粒子系统接触力的重构，使得冲击产生的动能转换为粒子系统的弹性能和热能，阻断连续介质中高能应力波的快速传递。2.如权利要求1所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，包括：作为连续介质的安装部件，用于设置在待分离装置和火工装置间，所述安装部件的中部开设有若干孔，每个所述孔的中心线垂直于火工冲击路径方向；和若干粒子部件，每个所述粒子部件均插装固定于所述孔中，且其封闭壳体内填充有作为非连续介质的粒子。3.如权利要求2所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述安装部件的横截面具有中部竖直段，其上下两端分别用于与待分离装置和火工装置固定连接，若干所述孔设置在所述中部竖直段上。4.如权利要求3所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述安装部件整体呈圆环形或多边形。5.如权利要求3或4所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，每个所述粒子部件中所述粒子的半径r应满足以下公式：式中：Cl1为所述粒子部件插装孔的圆心沿火工冲击路径方向至所述安装部件的分离面的距离；D为垂直于火工冲击路径所形成的面的中心至所述粒子部件的距离；R为所述孔半径，并满足:RcU2;21和22分别为所述粒子部件两端悬出所述竖直段的长度，并满足:〇Z1$D和OSz2SD;h为粒子装置与所述安装部件的配合面宽度；ω为所述装置的一阶级固有频率；以5为粒子与所述壳体内表面之间的摩擦系数；K1为粒子刚度系数；P为粒子的密度。6.如权利要求3所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述粒子为直径0.001〜30mm的球体、长短轴长度均为0.001〜30mm的椭球体、边长为0.001〜30mm规则的多面体或边长为0.001〜30mm的不规则多面体;所述粒子部件的壳体内表面和所述粒子的表面配置为:表面摩擦因子为〇.01〜〇.99，表面恢复系数为0.01〜1，所述粒子的密度为0.1〜30gcm3;所述粒子的材料为金属、非金属或高分子复合材料。7.如权利要求6所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述粒子部件的壳体壁厚为0.01〜30mm;所述壳体的内表面为圆柱体或多面体;所述粒子部件的壳体和所述安装部件的材质为镁合金、错合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、猛合金、钴合金或妈合金，或者上述合金中的多元合金制成。8.如权利要求2所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述壳体内腔分隔为至少两个隔离腔体，每个所述隔离腔体内填充相同和或不同特征的所述粒子，其中，所述特征为所述粒子的材料、形状和尺寸，所述粒子的填充率为10%〜100%。9.如权利要求3所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，若干所述孔沿火工冲击路径方向设置为至少两排，且相邻两排的所述孔交错排布。10.如权利要求2所述的火工分离用降冲击分离装置，其特征在于，所述粒子部件与所述安装部件间的固定方式为螺纹连接、键连接、型面连接、胀紧连接、销连接、铆接、焊接、粘接或过盈连接。

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