落球碰撞試驗(yàn)?zāi)M火工品過(guò)載特性研究

張 偉，沈瑞琪，葉迎華，胡 艷，何小斌

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

火工品是所有武器系統(tǒng)的首發(fā)元器件和裝置，是必不可少的初始能源[1]。火工品及其組成的點(diǎn)傳火序列和起爆傳爆序列是彈藥引信的關(guān)鍵零部件，在彈藥中起著至關(guān)重要的作用，其安全性和可靠性直接影響彈藥的安全性和可靠性。

為評(píng)價(jià)火工品的耐高過(guò)載能力，國(guó)外很早以前就開(kāi)展了高過(guò)載彈藥的研究，已建立了針對(duì)彈藥發(fā)射安全性和著靶可靠性的多種模擬試驗(yàn)技術(shù)和方法[2]，如實(shí)彈發(fā)射、內(nèi)置高加速度傳感器模擬射擊、Hopkinson壓桿應(yīng)力波加載模擬技術(shù)、馬歇特錘擊模擬試驗(yàn)技術(shù)、落球碰撞模擬試驗(yàn)技術(shù)、空氣炮碰撞加載模擬試驗(yàn)技術(shù)等，并且形成了一套考核范圍從靜態(tài)到20萬(wàn)g過(guò)載加速度，脈沖寬度從微秒量級(jí)到毫秒量級(jí)的過(guò)載試驗(yàn)方法，以及相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。我國(guó)普遍采用馬歇特錘擊試驗(yàn)方法和實(shí)彈射擊試驗(yàn)方法作為考核火工品耐過(guò)載能力的方法，空氣炮試驗(yàn)方法作為考核火工品過(guò)載能力的一種輔助手段。此外，針對(duì)彈丸著靶時(shí)承受高過(guò)載的情況，將Hopkinson壓桿試驗(yàn)技術(shù)用于彈藥、火工品的高過(guò)載研究，也已取得了一系列成果[6-10]。

落球碰撞試驗(yàn)方法能夠比較真實(shí)評(píng)估身管武器發(fā)射時(shí)發(fā)射藥沖撞彈藥底部形成的發(fā)射應(yīng)力波環(huán)境[5]，可應(yīng)用于對(duì)彈藥、火工品進(jìn)行發(fā)射安全性和可靠性測(cè)試。但是針對(duì)落球、落高和靶板情況的過(guò)載特性的文獻(xiàn)不完整，為了彌補(bǔ)這一不足，本研究在國(guó)內(nèi)率先建立了落球試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了不同板厚和落高的試驗(yàn)，并使用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)不同條件下的過(guò)載值進(jìn)行了模擬。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

落球試驗(yàn)裝置如圖1～2所示。

圖1 落球試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Photo of experimental setup

1.2 儀器及材料

儀器：350C02型ICP?加速度傳感器，靈敏度為0.111mV/g；482A16 ICP?型信號(hào)調(diào)節(jié)器；LeCroy Wave SurferTM 44Xs型示波器。

材料及規(guī)格：Φ120mm軸承鋼球；鋼板材料選40Cr鋼，尺寸分別為：250mm×250mm×30mm，250 mm×250mm×40mm，250mm×250mm×50mm。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

分別進(jìn)行了在1.5m、2.5m、3.5m、4.5m和5. 5m落高時(shí)，落球撞擊30mm、40mm和50mm厚度鋼板的試驗(yàn)。典型的加速度信號(hào)歷程曲線如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)波形（落高1.5m，板厚50mm）Fig. 3 Experiment waveform (steel ball height of 1.5m, steel plate thickness of 50mm)

試驗(yàn)波形呈振蕩衰減趨勢(shì)，即大多數(shù)情況下，最高峰值總是出現(xiàn)在第1個(gè)正峰處。由于鋼板中的應(yīng)力波存在多次反射，會(huì)發(fā)生波的疊加，有可能產(chǎn)生最高峰值后移的情況。為了便于比較，只以第1個(gè)正峰為考察對(duì)象。不同板厚和落高的加速度峰值的平均值分布如圖4所示。

圖4 加速度峰值隨落高和板厚的變化Fig.4 Change of acceleration value with height of the steel ball and thickness of the steel plate

由圖4可見(jiàn)，撞擊產(chǎn)生的過(guò)載加速度峰值的大小與鋼板的厚度和落高有關(guān)。同一落高下，隨著鋼板厚度增加，撞擊加速度峰值依次減小。而對(duì)于同一板厚，隨著落高的增加，撞擊加速度峰值呈線性增大。在落高5.5m、板厚 30mm時(shí)，最大加速度峰值可達(dá)到6 000g。

圖5為不同板厚和落高時(shí)的脈寬平均值。從圖5可以看出： 30mm 板的過(guò)載脈寬均值范圍在 132～140μs之間；40mm板的過(guò)載脈寬范圍在114～120μs之間；50mm板的過(guò)載脈寬在110～119μs之間。脈寬值隨落高的變化不明顯，板厚越小脈寬越大。

圖5 不同板厚和落高時(shí)的脈寬平均值Fig.5 Average pulse width under different condition

2 模擬仿真

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件，對(duì)Φ120mm的軸承鋼球從1.5m、2.5m、3.5m、4.5m和5.5m處落下撞擊50mm鋼板的過(guò)程進(jìn)行了模擬。

2.1 模型的建立

在鋼球碰撞鋼板過(guò)程中，忽略鋼球與鋼板的塑性變形，因此，鋼球與鋼板網(wǎng)格單元均采用 Lagrange算法。為了減小網(wǎng)格對(duì)碰撞過(guò)載的影響，對(duì)鋼板中心位置采用細(xì)密網(wǎng)格劃分。在鋼球與鋼板的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即約束對(duì)稱面上節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼板邊界施加固定約束，約束其水平方向和豎直方向的自由度。數(shù)值模擬模型選用solid164實(shí)體單元，接觸類型采用單面自動(dòng)接觸（ASSC），程序在計(jì)算時(shí)將自動(dòng)進(jìn)行接觸檢測(cè)。由于鋼球與鋼板的著角為0°，為了減少計(jì)算量，利用結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，建立1/4結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖6所示。

圖6 落球碰撞有限元模型圖Fig. 6 Finite element model of falling ball impact

鋼板下方突起為安裝傳感器的輔助裝置，材料與鋼板相同。建模時(shí)所需材料參數(shù)如表1所示。

在求解該問(wèn)題時(shí)，為了節(jié)省機(jī)時(shí)，只分析軸承鋼球在5mm處落下直至接觸鋼板的過(guò)程。由于軸承鋼球?yàn)樽杂上侣?，因此可?jì)算其下落到距鋼板5mm處所具有的速度，并將此作為軸承鋼球著靶的初始速度加到所有節(jié)點(diǎn)上?？偟那蠼鈺r(shí)間為2000μs，步長(zhǎng)為0.9μs。在建模時(shí)采用的是非國(guó)際單位：長(zhǎng)度單位為cm，質(zhì)量單位為g，時(shí)間單位為μs。模擬中所涉及的單位均由以上3種單位導(dǎo)出。

表1 材料參數(shù)表[11]Tab.1 Parameters of the material

2.2 應(yīng)力模擬結(jié)果

落高為1.5m，碰撞后鋼板上Von Mises等效應(yīng)力分布隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 鋼板上的Von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖Fig.7 Stress clouds of steel at different time

由圖7可知，t=919.97μs時(shí)，鋼球還未接觸到鋼板，此時(shí)鋼板上應(yīng)力為 0。t=929.99μs時(shí)，鋼球接觸鋼板，鋼板上應(yīng)力開(kāi)始增大。大約經(jīng)過(guò)230μs，鋼板上應(yīng)力達(dá)最大值，約為 405.3MPa。此后，鋼板上應(yīng)力開(kāi)始減小。其他落高下應(yīng)力的變化規(guī)律與之相似。

表2是不同落高下的最大應(yīng)力及達(dá)到最大應(yīng)力所需要的加載時(shí)間。

表2 應(yīng)力及其加載時(shí)間Tab.2 Stress and its loading time

從表2中可見(jiàn)：對(duì)于50mm鋼板，應(yīng)力從開(kāi)始加載到達(dá)到最大值所需要的時(shí)間在 200～300μs之間，最大應(yīng)力值在400～410MPa之間。

2.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

模擬得到的加速度歷程曲線如圖8所示。模擬波形也呈振蕩衰減的趨勢(shì)，模擬加速度峰值的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致。

圖8 模擬波形（落高1.5m，板厚50mm）Fig. 8 Simulation waveform (steel ball height of 1.5m,steel plate thickness of 50mm)

表3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Contrast between simulation results and test results

由表3可知：加速度峰值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。模擬的過(guò)載加速度峰值比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果偏大，其主要原因是將落球下落當(dāng)作自由落體來(lái)處理，程序中初始速度是根據(jù)自由落體的相關(guān)公式計(jì)算而得，而球在下落的過(guò)程中明顯會(huì)受到空氣阻力和管壁的摩擦力，實(shí)際著靶速度必然會(huì)偏小，因此過(guò)載峰值的模擬結(jié)果會(huì)偏大。而脈寬值的模擬結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較大，這是由于實(shí)際試驗(yàn)條件較為復(fù)雜，比如鋼板的固定、鋼球的落點(diǎn)和傳感器的頻率響應(yīng)等都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，使模擬值與試驗(yàn)值存在偏差。

3 結(jié)論

在國(guó)內(nèi)率先建立了落球試驗(yàn)裝置，并用落球試驗(yàn)來(lái)模擬火工品發(fā)射時(shí)的過(guò)載環(huán)境，得到了不同落高和板厚的過(guò)載加速度值。在落高5.5m、板厚30mm時(shí)，最高過(guò)載加速度值可達(dá)到 6 000g，最大脈寬可達(dá)到140μs。對(duì)于50mm 鋼板，應(yīng)力從開(kāi)始加載到達(dá)到最大值所需要的時(shí)間在 200～300μs之間，最大應(yīng)力值在 400～410MPa之間。加速度模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。后續(xù)試驗(yàn)可通過(guò)給落球施加初速度或增加落球高度來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的過(guò)載值，以滿足武器發(fā)射時(shí)的高過(guò)載要求。該試驗(yàn)方法由于具有測(cè)試尺寸大、寬脈沖和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，較好地彌補(bǔ)了已有的高過(guò)載特性評(píng)價(jià)手段的不足，為火工品高過(guò)載特性模擬和評(píng)價(jià)體系的完善提供了一種行之有效的方法。

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