CN110285176A - 基于反波长特性的火工分离降冲击装置及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反波长特性的火工分离降冲击装置及其制备工艺，在待分离构件上开设有多个依次排布的密闭容腔，多个依次排布的所述容腔中，以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述容腔内配置有阻尼粒子，组成具有频带特性的共振单元；所述阻尼粒子在所述冲击的激励下，所述共振单元可与冲击波发生耦合作用。应用本方案，通过将反波长特性机理引入到降冲击装置的结构设计中，可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，从而有效兼顾装置的连接刚度要求。
Description
技术领域
本发明涉及火工分离技术领域，具体涉及一种基于反波长特性的火工分离降冲击装置及其制备工艺。
背景技术
现有技术中，火工分离技术广泛的应用在各种领域，针对火工分离产生的冲击进行控制的降冲击装置必不可少。众所周知，火工分离后会产生巨大能量的冲击波，该冲击波使得相邻的结构产生较大的加速度，由此导致结构上的精密仪器损坏。为了减小该加速度响应，通常将精密仪器布置在远离火工分离的一端，通过延长冲击的传递路径来减小所受到的冲击，但是由于传递路径长度有限，对冲击响应的削弱是有限的。另外一种处理方式是，在冲击波传递的路径中增加缓冲装置，通过缓冲的形式减小所受到的冲击，但是由于在路径中增加的缓冲装置会降低整个系统结构的稳定性，且连接处的刚度无法得到保证。因此，延长传递路径和增加缓冲装置均无法有效的降低所受到的冲击。
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
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于反波长特性的火工分离降冲击装置及其制备工艺，通过将反波长特性机理引入到降冲击装置的结构设计中，可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，从而有效兼顾装置的连接刚度要求。
本发明提供的基于反波长特性的火工分离降冲击装置，在待分离构件上开设有多个依次排布的密闭容腔，多个依次排布的所述容腔中，以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述容腔内配置有阻尼粒子，组成具有频带特性的共振单元；所述阻尼粒子在所述冲击的激励下，所述共振单元可与冲击波发生耦合作用。
优选地，所述周期性排布的所述容腔配置为：以发生火工冲击的位置处为圆心，由内至外呈径向散射、阿基米德螺旋线状散射或者周向环绕嵌套排布。
优选地，所述振动形成的反波长频率范围ψ满足以下公式：
式中：
ρ1为所述阻尼粒子的材质密度；
ρ2为所述容腔侧壁的材质密度；
S为所述阻尼粒子的配位系数(与某个阻尼颗粒接触的颗粒个数)；
ω为所述分离装置的一阶固有频率；
H为所述容腔的高度；
D为冲击路径上相邻置有所述阻尼粒子的容腔几何中心的距离；
R1为所述阻尼粒子的半径；
R2为所述容腔的半径或所述容腔的内切圆半径；
β为放大系数，取值范围为3～85。
优选地，所述容腔截面为多边形，且边长为1～15mm，最小壁厚为0.03～1mm，高度为1mm-100mm；所述容腔侧壁的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。
优选地，所述阻尼粒子形状为直径为0.001～30mm球体、长短轴长度为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm的规则多面体或不规则多面体；所述阻尼粒子的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。
优选地，所述阻尼粒子在所述容腔中的体积填充率为10％～100％，所述阻尼粒子的材质密度为0.1-18.5g/cm3。所述阻尼粒子的摩擦因子为0.01～0.99，所述阻尼粒子的表面恢复系数为0.01～1。
优选地，所述阻尼粒子以散体的形式置于相应的所述容腔内。
优选地，所述阻尼粒子以包袋的形式置于相应的所述容腔内。
优选地，所述包袋的材质为耐高温的金属或非金属、高分子材料，阻尼外壳壁厚为0.1mm-2mm。
优选地，所述阻尼粒子的材质为金属，具体为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金、钨合金或者以上述合金为主的多合金材料。
本发明还提供一种前述火工分离降冲击装置的制备工艺，具体按下述步骤执行：
步骤一，成型模具、原料准备；
步骤二，在所述成型模具上放置覆有粘胶剂下面板，并在所述下面板上放置具有依次排布的多个蜂窝孔的芯板，热压使得所述下面板与所述芯板贴合固定；
步骤三，将阻尼粒子置于所述芯板的以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述蜂窝孔中；
步骤四，在所述芯板上放置覆有粘胶剂上面板，热压使得所述上面板与所述芯板贴合固定，形成密闭容腔以组成具有频带特性的共振单元。
优选地，步骤三中，先将所述阻尼粒子填充至包袋中，再将所述包袋置于相应的所述蜂窝孔中。
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，本方案将反波长特性机理引入到降冲击装置的结构设计中，选择在待分离构件上周期性排布的容腔内配置阻尼粒子，冲击发生时，每个周期性布置的容腔内的阻尼粒子受到激励后共同振动，也即，具有频带特性的共振单元可与冲击波发生耦合作用，使得相应特定频率范围内的波无法通过。因此，针对火工分离产生的冲击波频率在该反波长频率范围内时，无法继续传播，由此减小冲击。如此设置，在保证装置的连接刚度满足设计要求的基础上，采用较小的附加质量即可获得较为明显的降冲击效果，进而保证受保护结构的精密电子元件不受损害。
另外，基于球形阻尼粒子的各向同性，对空间内的三个方向均有明显降冲击的效果，可进一步提升降冲击效果。此外，阻尼粒子材质可多样性选择，以适应不同的工作环境，具有较好的可适应性。
附图说明
图1为具体实施方式中所述火工分离降冲击装置的装配关系主视图；
图2为图1中所示装置的侧视图；
图3示出了实施例一所示容腔结构排布关系示意图；
图4为图3的侧视图；
图5示出了相邻容腔的局部放大示意图。
图6分别示出了增加减振装置前后减振结构的主振响应曲线；
图7示出了实施例二所示容腔结构排布关系示意图；
图8示出了实施例三所示容腔结构排布关系示意图；
图9示出了实施例四所述容腔结构排布关系示意图；
图10示出了实施例五所述火工分离降冲击装置装配关系剖面图。
图中：
底板11、连接板12、容腔2、螺栓3、振动保护区4、芯板5、下面板61、上面板62、胶粘剂层7。
具体实施方式
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。
应用本实施方式提供的基于反波长特性的火工分离降冲击装置，在待分离构件上开设有多个依次排布的密闭容腔2，多个依次排布的容腔中，，组成具有频带特性的共振单元；以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的容腔2内配置有阻尼粒子(图中未示出)；阻尼粒子可在冲击的激励下，所述共振单元可与冲击波发生耦合作用，以阻止冲击产生的应力波通过。由此，达到有效降冲击的目的。这里，“待分离构件”是指可在火工作用下相对于基体发生相对位移的构件，例如但不限于可相对于舱体分离的舱门等构件。
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。
请参见图1和图2，其中，图1为具体实施方式所述火工分离降冲击装置的装配关系主视图，图2为图1中的侧视图。
如图所示，开设有密闭容腔2的分离装置，其两端分别通过连接座实现连接。如图所示，该连接座的底板11上固定设置有连接板12，并通过连接螺栓与分离装置的固定。可以理解的是，连接螺栓的设置数量可以根据实际需要进行设定，而非局限于图中所示的每端采用两个对称设置的螺栓进行连接。冲击发生时，每个周期性布置的容腔2内的阻尼粒子受到激励后共同振动，具有频带特性的共振单元可与冲击波发生耦合作用，使得相应特定频率范围内的波无法通过。当火工分离产生的冲击波频率在该反波长频率范围内时，无法继续传播。如此设置，在保证装置的连接刚度满足设计要求的基础上，采用较小的附加质量即可获得较为明显的降冲击效果。
其中，周期性排布的所述容腔2的具体配置方式，可以依据实际火工分离的产生机理及冲击波频率大小进行选择。例如但不限于，以发生火工冲击的位置处为圆心，由内至外呈径向散射状排布，或者周向环绕嵌套排布。
实施例一：
请一并参见图3和图4，其中，图3示出了本实施例所示容腔结构排布关系示意图，图4为图3的侧视图。该图示出了起爆螺栓3式的火工分离降冲击装置，火工分离时螺栓3炸开，并以受保护装置大致位于图中所示振动保护区4进行示例性说明。
图中所示，螺栓3所在位置即为发生火工冲击的位置处，以该位置处为圆心，周期性排布的容腔2的配置为由内至外呈径向散射状排布；也即，图中黑色显示的容腔2内填充有阻尼粒子。
螺栓3炸开所产生的冲击波，将激励上述径向散射状排布容腔2内填充的阻尼粒子产生振动，且形成共振获得反波长特性，使得冲击波的频率范围落在该反波长频率范围之内，冲击波无法继续传播。需要说明的是，这里的“反波长特性”是指，阻尼粒子被激励后形成的波长具有特定频率范围，位于该频率范围内的波长无法通过，即为反波长特性。此外，经分析比较参数变化时能量耗散系数的变化规律，容腔2侧壁的材质、容腔2的排布、阻尼粒子的排布是影响反波长频率范围的重要因素，不同的选择会产生不同的反波长频率范围阻尼粒子排布方式。
针对特定的火工分离系统，首先可识别并确定火工冲击峰值所处的频率段，进而通过调整相应参数获得理想的反波长频率范围ψ。具体地请一并参见图5，该图示出了相邻容腔的局部放大示意图，激励产生振动形成的反波长频率范围ψ满足以下公式：
式中：
ρ1为所述阻尼粒子的材质密度；
ρ2为所述容腔侧壁的材质密度；
S为所述阻尼粒子的配位系数(与某个阻尼颗粒接触的颗粒个数)；
ω为所述分离装置的一阶固有频率；
H为所述容腔的高度；
D为冲击路径上相邻置有所述阻尼粒子的容腔几何中心的距离；
R1为所述阻尼粒子的半径；
R2为所述容腔的半径或所述容腔的内切圆半径；
β为放大系数(与阻尼粒子的排布规律相关)，β取值根据内部共振单元的参数在3～85之间取值。
应当理解的是，对于阻尼粒子的粒径选择，需要兼顾粒子粒径与容腔大小的关系。当阻尼粒子粒径过大时，其碰撞不够充分激烈；当粒子粒径过小时，大致类似于一个固体物质，则没有碰撞响应，无法生成影响反波长的振动。另需说明的是，对于三维不规则颗粒，首先测出其体积，然后转换为球形，依据下述公式得到等效直径：
并以此获得阻尼粒子的半径R1。
作为优选，图中所示容腔2的截面为正六边形，整体呈蜂窝状。实际上，用于该容腔2的排布形式不局限于图中所示的蜂窝状，其截面也可以为其他正多边形，也可以为非正多边形。具体尺寸可以优选为：边长为1～15mm，最小壁厚为0.03～1mm，高度为1mm-100mm。其中，容腔2侧壁的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。
进一步地，阻尼粒子形状为直径为0.001～30mm球体、长短轴长度为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm的规则多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体。其中，阻尼粒子的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。可以理解的是，不同材质的阻尼粒子，具有不同的剪切模量、恢复系数和泊松比，在对粒子进行选择时需综合考虑这三个因素的影响。
此外，阻尼粒子填充率也是影响反波长频率范围的重要参数，不同的填充率会得到不同的反波长频率范围。作为优选，阻尼粒子在容腔2中的体积填充率可以为10％～100％，该阻尼粒子的材质密度可以为0.1-18.5g/cm3。阻尼粒子的摩擦因子可以为0.01～0.99，阻尼粒子的表面恢复系数可以为0.01～1。
以待分离面为测点的试验结果如图6所示，该图分别示出了增加减振装置前后减振结构的主振响应曲线。图中所示，频率在1025-8972Hz之间形成了良好的频带，主振方向峰值的降幅可达到76％。
另外，阻尼粒子以散体的形式置于相应的容腔2内，或者也可以根据实际需要以包袋的形式置于相应的容腔内，优选颗粒材料的填充率为30％-100％。该包袋的材质可以为非金属。阻尼粒子的材质为金属，例如但不限于，采用镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金、钨合金或者以上述合金为主的多合金材料。
实施例二：
请参见图7，该图示出了实施例二所述容腔结构排布关系示意图。为了清楚示出本实施例与实施例一的区别和联系，相同功能的结构在图中以同一附图标记进行示明。
本方案与实施例一的核心设计构思完全相同，所述容腔结构排布关系的区别在于，该周期性排布的容腔2配置为：以发生火工冲击的位置处(螺栓3)为圆心，由内至外周向呈圆孤状环绕嵌套排布；也即，图中深灰色显示的容腔2内填充有阻尼粒子。其他功能实现原理与实施例一相同，故不再赘述。
实施例三：
请参见图8，该图示出了实施例三所述容腔结构排布关系示意图。为了清楚示出本实施例与实施例一、二的区别和联系，相同功能的结构在图中以同一附图标记进行示明。
本方案与实施例一的核心设计构思完全相同，所述容腔结构排布关系的区别在于，该周期性排布的容腔2配置为：以发生火工冲击的位置处(螺栓3)为圆心，由内至外周向呈多边形状环绕嵌套排布；也即，图中浅灰色显示的容腔2内填充有阻尼粒子。其他功能实现原理与实施例一相同，故不再赘述。
实施例四：
请参见图9，该图示出了实施例四所述容腔结构排布关系示意图。为了清楚示出本实施例与前述实施例的区别和联系，相同功能的结构在图中以同一附图标记进行示明。
本方案与前述的核心设计构思完全相同，所述容腔结构排布关系的区别在于，该周期性排布的容腔2配置为：以发生火工冲击的位置处(螺栓3)为圆心，由内至外呈阿基米德螺旋线状散射排布；也即，图中深灰色显示的容腔2内填充有阻尼粒子。其他功能实现原理与前述实施例相同，故不再赘述。
实施例五：
请参见图10，该图示出了本实施例所述火工分离降冲击装置装配关系剖面图。为了清楚示出本实施例与前述实施例的区别和联系，相同功能的结构在图中以同一附图标记进行示明。
本方案与前述的核心设计构思完全相同，所述容腔结构排布关系的区别在于，整体呈板状结构。具体地，密闭容腔2由具有依次排布的蜂窝孔的芯板5及贴合固定在该芯板5两侧的面板围合形成，以图示方位来看，包括下面板61和上面板62。其中，两个面板(下面板61和上面板62)分别通过胶粘剂层7与芯板5贴合固定。这里，胶粘剂层7的具体厚度不需要特别限制，具体可以根据具体应用工况进行选定，只要能够实现结构间可靠固定连接均可。其他功能实现原理与前述实施例相同，故不再赘述。
作为优选，下面板61和上面板62的厚度为0.1～1mm，材料为金属或碳纤维复合材料。如此设置，在满足良好降冲击效果的基础上，可有效控制产品总重。
除前述火工分离降冲击装置外，本实施方式还提供一种该装置的制备工艺，具体按下述步骤执行：
步骤一，成型模具、原料准备；
步骤二，在所述成型模具上放置覆有粘胶剂下面板，并在所述下面板上放置具有依次排布的多个蜂窝孔的芯板，热压使得所述下面板与所述芯板贴合固定；
步骤三，将阻尼粒子置于所述芯板的以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述蜂窝孔中；具体地，可以先将所述阻尼粒子填充至包袋中，例如但不限于选用高分子柔性包袋，采用热封工艺封闭形成阻尼元件，再将所述包袋置于相应的所述蜂窝孔中。
步骤四，在所述芯板上放置覆有粘胶剂上面板，热压使得所述上面板与所述芯板贴合固定，形成密闭容腔以组成具有频带特性的共振单元。
作为优选，步骤二和步骤四中，选用胶膜进行裁剪形成所述粘胶剂。这样，制备过程中可快速实现覆胶操作，且可按照设计尺寸进行裁剪，可确保良好的布胶均匀程度。
需要说明的是，本实施方式提供的上述实施例为优选示例，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，用于容纳阻尼粒子的容腔不局限于图中的正六边形，且该容腔的设计布局不局限于紧密排列，也可以间隔性的设计，且容腔的高度也可进行适应性调整；阻尼粒子的材质不仅限于常见的金属材料，也可以是非金属材料。
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。
Claims (12)
1.基于反波长特性的火工分离降冲击装置，其特征在于，在待分离构件上开设有多个依次排布的密闭容腔，多个依次排布的所述容腔中，以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述容腔内配置有阻尼粒子，组成具有频带特性的共振单元；所述阻尼粒子在所述冲击的激励下，所述共振单元可与冲击波发生耦合作用。
2.根据权利要求1所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述周期性排布的所述容腔配置为：以发生火工冲击的位置处为圆心，由内至外呈径向散射、阿基米德螺旋线状散射或者周向环绕嵌套排布。
3.根据权利要求1或2所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述振动形成的反波长频率范围ψ满足以下公式：
式中：
ρ1为所述阻尼粒子的材质密度；
ρ2为所述容腔侧壁的材质密度；
S为所述阻尼粒子的配位系数；
ω为所述分离装置的一阶固有频率；
H为所述容腔的高度；
D为冲击路径上相邻置有所述阻尼粒子的容腔几何中心的距离；
R1为所述阻尼粒子的半径；
R2为所述容腔的半径或所述容腔的内切圆半径；
β为放大系数，取值范围为3～85。
4.根据权利要求3所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述容腔截面为多边形，且边长为1～15mm，最小壁厚为0.03～1mm，高度为1mm-100mm；所述容腔侧壁的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。
5.根据权利要求3所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述阻尼粒子形状为直径为0.001～30mm球体、长短轴长度为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm的规则多面体或不规则多面体；所述阻尼粒子的材质为金属、非金属、高分子材料或复合材料。
6.根据权利要求5所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述阻尼粒子在所述容腔中的体积填充率为10％～100％，所述阻尼粒子的材质密度为0.1-18.5g/cm3。所述阻尼粒子的摩擦因子为0.01～0.99，所述阻尼粒子的表面恢复系数为0.01～1。
7.根据权利要求6所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述阻尼粒子以散体的形式置于相应的所述容腔内。
8.根据权利要求6所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述阻尼粒子以包袋的形式置于相应的所述容腔内。
9.根据权利要求8所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述包袋的材质为耐高温的金属或非金属、高分子材料，阻尼外壳壁厚为0.1mm-2mm。
10.根据权利要求8所述的火工分离降冲击装置，其特征在于，所述阻尼粒子的材质为金属，具体为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金、钨合金或者以上述合金为主的多合金材料。
11.权利要求1至10中任一项所述火工分离降冲击装置的制备工艺，其特征在于，按下述步骤执行：
步骤一，成型模具、原料准备；
步骤二，在所述成型模具上放置覆有粘胶剂下面板，并在所述下面板上放置具有依次排布的多个蜂窝孔的芯板，热压使得所述下面板与所述芯板贴合固定；
步骤三，将阻尼粒子置于所述芯板的以发生火工冲击的位置处为圆心周期性排布的所述蜂窝孔中；
步骤四，在所述芯板上放置覆有粘胶剂上面板，热压使得所述上面板与所述芯板贴合固定，形成密闭容腔以组成具有频带特性的共振单元。
12.根据权利要求11所述的制备工艺，其特征在于，步骤三中，先将所述阻尼粒子填充至包袋中，再将所述包袋置于相应的所述蜂窝孔中。
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