引信安全性試驗(yàn)的數(shù)值仿真

吳曉穎, 張萬君, 戴國云

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器系,北京100072;2.蚌埠坦克學(xué)院,安徽蚌埠233000)

0 引言

在引信定型試驗(yàn)中,引信安全性失效起著一票否決的關(guān)鍵作用。引信安全性失效屬小概率事件,隨著對(duì)安全性能要求的提高和新型彈藥成本的增加,僅通過定型試驗(yàn)中實(shí)彈射擊方法考核引信安全性指標(biāo)的難度越來越大。如引信安全性準(zhǔn)則GJB 373-97中規(guī)定:引信在保險(xiǎn)距離上解除保險(xiǎn)的概率應(yīng)小于1‰[1]。考核引信設(shè)計(jì)生產(chǎn)是否滿足安全性要求的可靠辦法:射擊1 000發(fā),出現(xiàn)1發(fā)以下的失效為滿足,否則為不滿足。但為完成一項(xiàng)引信安全性試驗(yàn)射擊1 000發(fā)彈藥是不可能的,因此通常采用小樣本抽樣試驗(yàn),多數(shù)彈藥引信的試驗(yàn)規(guī)范中規(guī)定安全性(保險(xiǎn)距離)試驗(yàn)樣本量取(20～40)發(fā)[2],根據(jù)二項(xiàng)式分布公式計(jì)算該試驗(yàn)樣本下引信安全性失效出現(xiàn)的概率僅為0.01～0.0 392,均為小概率事件,因此很難通過安全性試驗(yàn)達(dá)到考核效果,給研制和使用方帶來風(fēng)險(xiǎn)。

但通過莫非定律知道,不論事件發(fā)生的概率如何小,只要當(dāng)樣本量增加到一定程度時(shí),該事件就一定會(huì)出現(xiàn)。由此當(dāng)樣本量增加到110～140時(shí),計(jì)算引信安全性失效出現(xiàn)概率可達(dá)到0.1以上,可以滿足對(duì)引信安全性考核的要求。

為此,本文將探討利用數(shù)值仿真試驗(yàn)方法增大試驗(yàn)樣本的可行性和途徑,達(dá)到提高考核可靠性或降低試驗(yàn)成本的目的。

1 引信安全性及其試驗(yàn)方法

引信安全性通常包括勤務(wù)處理安全性、發(fā)射安全性、炮口安全性,工作示意圖如圖1所示[3]。

圖1 引信安全性工作示意圖

引信安全性能的好壞,主要取決于引信設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),如圖2所示。

圖2 引信安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

因此,對(duì)引信安全性能的考核,本質(zhì)上就是對(duì)引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下是否處于安全位置的考核。由于勤務(wù)處理和裝彈過程中,引信只受到一個(gè)環(huán)境力的作用,對(duì)于雙環(huán)境力引信而言,解除保險(xiǎn)的概率幾乎為零,在此不予討論。只有炮口安全失效可能性較大,危害也大,考核困難,而在引信設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)時(shí),對(duì)炮口安全性(保險(xiǎn)距離)考核,通常采用少量樣本實(shí)彈射擊,根據(jù)引信是否發(fā)火考核保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是否處于保險(xiǎn)狀態(tài)。但該方法試驗(yàn)周期長,成本高,結(jié)論可靠性與試驗(yàn)樣本量息息相關(guān),并且在一定程度上受到外界激勵(lì)的影響,為此各試驗(yàn)和研制單位都在不斷探索引信安全性試驗(yàn)的新方法。

2 引信安全性試驗(yàn)的數(shù)值仿真

近幾年在引信研制過程中,常采用模擬或數(shù)值仿真方法,為調(diào)整引信相關(guān)性能參數(shù),提高引信整體性能,縮短研制周期做出有益的嘗試。如今仿真技術(shù)已經(jīng)拓展到對(duì)引信安全性試驗(yàn)研究上。因此,研究利用數(shù)值仿真方法增大考核試驗(yàn)樣本量,提高考核引信安全性試驗(yàn)水平。

2.1 數(shù)值仿真模型及原理

數(shù)值仿真,就是將引信及其受力情況都轉(zhuǎn)化成數(shù)值模型,通過計(jì)算機(jī)仿真得到相應(yīng)的結(jié)論。

利用數(shù)值仿真方法考核引信安全性能的基本途徑,如圖3所示。

圖3 仿真試驗(yàn)工作原理與過程

首先利用Solidworks軟件建立保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)三維數(shù)值模型[4],并利用軟件將零部件偏差生成系統(tǒng)加載到數(shù)值模型上,隨機(jī)生成具有誤差的不同保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型;其次,根據(jù)對(duì)火炮發(fā)射環(huán)境分析,利用相關(guān)公式計(jì)算零部件受力,包括直線慣性力、離心力等:

式中:F s為直線慣性力;F c為離心力;m為相關(guān)零件質(zhì)量;a為直線加速度;ω為旋轉(zhuǎn)角速度;r為零件質(zhì)心到彈軸距離。根據(jù)計(jì)算和分析結(jié)果建立引信虛擬工作環(huán)境,最后將引信數(shù)值模型導(dǎo)入引信發(fā)射和飛行的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)虛擬環(huán)境中,進(jìn)行仿真試驗(yàn),得到相應(yīng)數(shù)據(jù)或結(jié)論。

2.2 引信安全性試驗(yàn)數(shù)值仿真的作用

通過仿真實(shí)驗(yàn),可增加實(shí)驗(yàn)樣本,提高試驗(yàn)置信水平。例如:在引信安全性試驗(yàn)中,當(dāng)選取引信的試驗(yàn)樣本量為20,若置信水平為0.9,在保險(xiǎn)距離上引信皆不作用,在解除保險(xiǎn)距離上引信全部發(fā)火,根據(jù)二項(xiàng)式分布規(guī)律,計(jì)算出引信的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)試驗(yàn)結(jié)果的置信度為

式中:F為引信解除保險(xiǎn)或保險(xiǎn)試驗(yàn)失效數(shù);RL為引信可靠度單側(cè)置信下限;r為置信水平,這里設(shè)為0.9;n為引信試驗(yàn)樣本量,這里取20。

如果利用仿真方法另外獲得有效數(shù)據(jù)100個(gè),按同樣方法,在相同置信水平下,計(jì)算出引信的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)試驗(yàn)結(jié)果的置信度為

引信安全性考核結(jié)論的置信水平由0.89提高至0.98,考核水平明顯提高。

3 應(yīng)用舉例

某引信安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由垂直回轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心自毀機(jī)構(gòu)等組成。利用Solidworks軟件建立保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)部件三維數(shù)值模型,如圖 4、5 、6 所示 。

圖4 垂直回轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)

圖5 離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

圖6 側(cè)發(fā)火機(jī)構(gòu)

將發(fā)射過程中各部件的受力情況利用軟件加載到部件上,得到引信膛內(nèi)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線,如圖7所示。與實(shí)彈射擊數(shù)據(jù)基本吻合,能夠?yàn)楸ｋU(xiǎn)機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)提供有效支持。

圖7 離心銷的位移量變化曲線

當(dāng)然該方法只是一種理論上的研究和探索,具體實(shí)施還需要做許多大量復(fù)雜的前期工作,包括各種目標(biāo)特性、環(huán)境數(shù)據(jù)庫及可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立,都需要專門的人員去研究、積累整理,需要引信設(shè)計(jì)單位和實(shí)驗(yàn)部門的共同努力。

4 結(jié)論

由上述分析可知,實(shí)彈射擊數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值仿真方法可以使引信安全性能(炮口安全性)的考核變得更加可信,試驗(yàn)周期和成本得到進(jìn)一步降低,是引信定型試驗(yàn)的有力補(bǔ)充,為引信的設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)方法的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),由于模型數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)論精確性,受模型準(zhǔn)確度和動(dòng)力學(xué)環(huán)境、目標(biāo)特性的制約。因此,在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行校核,對(duì)目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)庫要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

[1] GJB 150-86.軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1990.

[2] GJB 349.35-41-90.常規(guī)兵器定型試驗(yàn)方法:航空炮彈引信[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1990.

[3] 馬寶華.引信構(gòu)造與作用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1984.

[4] 曹巖,趙汝嘉.Solidw orks精通篇[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.