連續(xù)高沖擊試驗裝置動態(tài)作用過程仿真研究

李飛胤，馬少杰，張 合

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

侵徹彈藥高速侵徹多層硬目標(biāo)過程中，其引信機構(gòu)及控制組件將承受侵徹過程所產(chǎn)生的連續(xù)高沖擊載荷作用，該力學(xué)環(huán)境既是彈體及引信機構(gòu)必須能夠有效經(jīng)受的力學(xué)載荷，也是引信控制系統(tǒng)計層識別與起爆控制的關(guān)鍵輸入?yún)⒘?，因此，引信組件在研發(fā)、生產(chǎn)過程中需進行苛刻的短間隔連續(xù)高沖擊力學(xué)試驗?，F(xiàn)有的侵徹引信實驗室高沖擊試驗手段主要以落錘、擺錘、空氣炮、霍普金森桿等單次沖擊試驗裝置為主，通過重復(fù)加載實現(xiàn)連續(xù)沖擊，不但沖擊頻率難以滿足要求，且沖擊幅值與間隔也存在較大散布；而對于多層硬目標(biāo)侵徹引信的苛刻連續(xù)高沖擊測試，通常僅可依賴于靶場試驗方法，存在周期長、費用高等顯著問題，現(xiàn)有測試手段的不足促進了實驗室連續(xù)高沖擊試驗技術(shù)的探索與研究。

為有效實現(xiàn)工程應(yīng)用中所需的連續(xù)高沖擊測試，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者嘗試了多種不同原理的沖擊加載方法。Wellinger等提出了多個自由落體跌落加載的連續(xù)沖擊試驗方法；劉國慶設(shè)計了采用凸輪-彈簧式加載的臥式?jīng)_擊疲勞試驗機；何玲等研制了滾子凸輪加載的槍械自動機關(guān)鍵件沖擊疲勞試驗裝置；宋林森等設(shè)計了可用于武器系統(tǒng)瞄準(zhǔn)裝置強度試驗的電液伺服連續(xù)沖擊系統(tǒng)。上述研究極大地豐富了現(xiàn)有的連續(xù)高沖擊試驗手段，但在所能實現(xiàn)的沖擊幅值和沖擊頻率上仍然存在著較大的局限性，難以滿足多層硬目標(biāo)侵徹引信的實驗室苛刻短間隔高幅值連續(xù)沖擊試驗需求。

本研究立足于多層硬目標(biāo)侵徹引信短間隔連續(xù)沖擊試驗的技術(shù)需求，針對現(xiàn)有試驗手段的不足，設(shè)計了一種新型的旋轉(zhuǎn)式連續(xù)高沖擊試驗裝置，介紹了試驗裝置的主要構(gòu)成及工作原理，基于ANSYS/LS-DYNA研究并建立了試驗裝置主要結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，在此基礎(chǔ)上對關(guān)鍵力學(xué)作用過程進行了仿真分析，并與沖擊試驗結(jié)果進行了對比驗證。

2 連續(xù)高沖擊試驗裝置構(gòu)成及工作原理

本文提出的連續(xù)高沖擊試驗裝置總體設(shè)計方案如圖1所示，該試驗裝置主要由旋轉(zhuǎn)加載子系統(tǒng)，沖擊子系統(tǒng)，進給/回退子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。旋轉(zhuǎn)加載子系統(tǒng)主要包括大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺，沖擊組件，調(diào)速電機及傳動裝置，其中大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺為試驗裝置的主體結(jié)構(gòu)，其邊緣設(shè)計有20組高強度旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊組件，依靠轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)沖擊加載；考慮到結(jié)構(gòu)強度和支撐裝置承重需求，將轉(zhuǎn)臺臺面沿徑向方向設(shè)計為“凹”型結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)強度要求較高的轉(zhuǎn)軸及圓周部位設(shè)計較厚，而臺面中間部位相對設(shè)計較薄，并對稱切割出若干組圓環(huán)，減輕轉(zhuǎn)臺總重。沖擊組件是進行沖擊加載的直接作用機構(gòu)，主要由旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭，沖擊頭座和沖擊轉(zhuǎn)軸3部分構(gòu)成，沖擊頭通過沖擊轉(zhuǎn)軸安裝在沖擊頭座上，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時，沖擊頭在離心力作用下垂直于轉(zhuǎn)臺圓周，沖擊發(fā)生后，沖擊頭繞軸旋轉(zhuǎn)退讓出碰撞工位，并隨即快速恢復(fù)至初始狀態(tài)，通過該沖擊組件退讓與自恢復(fù)的方式，有效解決了常規(guī)連續(xù)沖擊方法中沖擊頻率的限制，且直接碰撞接觸作用也保證了沖擊幅值滿足需求。調(diào)速電機及傳動裝置為沖擊加載提供動能，控制電機轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)不同時間間隔的沖擊。沖擊子系統(tǒng)主要包括立方體基座，沖擊夾具和緩沖機構(gòu)。沖擊夾具設(shè)計為圓柱筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝測試件，安裝在立方體基座內(nèi)，底部由緩沖機構(gòu)提供支撐，并通過頂部的蓋板進行運動限位。進給/回退子系統(tǒng)包括液壓站、液壓缸和“L型”承載滑軌，液壓站為液壓機構(gòu)的動作提供液壓源，通過液壓缸的進給/回退控制沖擊的發(fā)生與停止，液壓缸的活塞部件與立方體基座外殼體通過圓柱鉸鏈結(jié)構(gòu)安裝，可為連續(xù)高沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)位移與振動提供一定的緩沖，加固設(shè)計的“L型”承載滑軌提供被沖擊機構(gòu)的運動限位?？刂谱酉到y(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，并執(zhí)行各項動作指令。

1.轉(zhuǎn)臺; 2.沖擊組件; 3.傳動裝置; 4.調(diào)速電機; 5.控制子系統(tǒng); 6.沖擊夾具; 7.立方體基座; 8.緩沖機構(gòu); 9.液壓進給機構(gòu); 10.液壓站

根據(jù)方案設(shè)計，概述連續(xù)高沖擊試驗裝置的主要工作流程，試驗開始前，沖擊子系統(tǒng)位于初始工位，與旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭之間存在有一定的距離間隔，因此無碰撞接觸作用；試驗時根據(jù)沖擊間隔需求設(shè)定電機轉(zhuǎn)速，電機啟動后經(jīng)由傳動裝置帶動大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)加速，由于轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)質(zhì)量較大，因此通常需給定較長的加速過程，并通過轉(zhuǎn)臺上的光電編碼器實時獲取轉(zhuǎn)速并反饋至控制系統(tǒng)；當(dāng)轉(zhuǎn)臺加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速后，控制子系統(tǒng)使能液壓機構(gòu)將沖擊子系統(tǒng)進給至沖擊工位，高速運動的沖擊頭依次與沖擊夾具發(fā)生碰撞接觸作用，實現(xiàn)對試件的連續(xù)高沖擊加載；試驗結(jié)束后，液壓機構(gòu)回退，停止沖擊，隨后制動轉(zhuǎn)臺，回收測試樣品，完成連續(xù)沖擊試驗。

通過上述原理和工作過程分析可知，試驗裝置的沖擊動力學(xué)響應(yīng)是其關(guān)鍵性能指標(biāo)，不但直接關(guān)系到裝置自身的結(jié)構(gòu)可靠性，也影響到試驗效果的評估，由于該動力學(xué)響應(yīng)依賴于沖擊對的碰撞作用產(chǎn)生，考慮到碰撞過程的高動態(tài)特性，試驗手段難以對實際作用過程和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行詳細(xì)有效地分析，針對該問題，引入基于ANSYS/LS-DYNA的數(shù)值方法是輔助試驗裝置關(guān)鍵力學(xué)作用過程分析的有效技術(shù)手段。

3 簡化試驗裝置有限元建模

根據(jù)設(shè)計方案，提取連續(xù)高沖擊試驗裝置主要結(jié)構(gòu)建立簡化仿真模型，模型中將沖擊頭座與轉(zhuǎn)臺進行合并，以減少接觸對數(shù)量提高求解效率；并且，對采用螺紋安裝為一體的沖擊夾具結(jié)構(gòu)同樣進行合并。在不影響系統(tǒng)動力學(xué)特性的前提下，刪減一些非必要零散結(jié)構(gòu)并進行進一步的幾何清理，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，簡化后的連續(xù)高沖擊試驗裝置主要結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。根據(jù)方案設(shè)計，配置直接沖擊接觸結(jié)構(gòu)的材料為65 Mn，其他非直接沖擊接觸結(jié)構(gòu)的材料為45 Steel；此外，由于大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺自身的形變有限，且不直接承受碰撞接觸作用，并非本研究中力學(xué)作用分析關(guān)注的重點，因此仿真中將轉(zhuǎn)臺設(shè)置為剛體，進一步提高仿真效率。

圖2 簡化試驗裝置主要結(jié)構(gòu)模型示意圖

根據(jù)連續(xù)高沖擊試驗裝置中存在的主要接觸關(guān)系，分別定義20組旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭與沖擊夾具，沖擊頭與沖擊頭座以及沖擊夾具與立方體基座內(nèi)側(cè)面的摩擦接觸；此外，考慮到設(shè)計方案中沖擊頭碰撞后的旋轉(zhuǎn)自退讓特性，選擇沖擊頭座通孔為目標(biāo)面，沖擊頭通孔為參考面，為每組沖擊頭與沖擊頭座之間添加轉(zhuǎn)動副，實現(xiàn)特征運動關(guān)系的定義。

在綜合考慮計算精度和求解效率的基礎(chǔ)上，對連續(xù)高沖擊試驗裝置不同部件配置不同的網(wǎng)格劃分方案，其中直接接觸結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭、沖擊夾具和立方體基座網(wǎng)格劃分較密，而大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺主體等非作用部位則采用較大的網(wǎng)格尺寸，最終生成單元數(shù)量279 434，節(jié)點數(shù)量64 482。根據(jù)實際運動特征，約束轉(zhuǎn)臺其他方向的自由度，保留軸方向的轉(zhuǎn)動自由度，并給定轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速1 000 r/min，此外，為立方體基座添加位移運動，在0.06 s內(nèi)將立方體基座進給至沖擊工位，完成上述設(shè)置后，生成計算k文件。在本文研究仿真分析中，由于仿真總時長有限，為有效抑制仿真中轉(zhuǎn)臺突然加速導(dǎo)致的沖擊頭擺動問題，在k文件中另行添加綁定約束，并設(shè)置失效時間=0.05 s，即在沖擊發(fā)生前釋放該綁定約束，以有效實現(xiàn)沖擊頭的碰撞退讓和自恢復(fù)運動特征。完成上述設(shè)置后，將k文件遞交LS-DYNA求解。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 等效應(yīng)力分析

仿真獲得簡化試驗裝置關(guān)鍵沖擊部位的等效應(yīng)力云圖分別如圖3和圖4。從其中可以看出，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，初始狀態(tài)下沖擊頭受離心力影響垂直于轉(zhuǎn)臺圓周，碰撞發(fā)生后，沖擊頭旋轉(zhuǎn)退讓，經(jīng)一段時間的擺動振蕩后恢復(fù)初始狀態(tài)。由于仿真中將轉(zhuǎn)臺設(shè)置為剛體，因此轉(zhuǎn)臺部位無應(yīng)力分布，主要沖擊應(yīng)力集中在沖擊頭與沖擊夾具的碰撞接觸部位，并且沖擊頭與沖擊頭座的旋轉(zhuǎn)連接部位也存在較高應(yīng)力；此外，由于實際沖擊接觸位置并非位于沖擊夾具徑向中心，且受結(jié)構(gòu)間隙影響，不可避免的會引起沖擊夾具與立方體基座內(nèi)側(cè)面的碰撞作用，導(dǎo)致立方體基座側(cè)壁也產(chǎn)生了接觸應(yīng)力，并以接觸側(cè)及其對向部位的應(yīng)力數(shù)值較高。

圖3 簡化試驗裝置應(yīng)力云圖

圖4 關(guān)鍵沖擊部位應(yīng)力云圖

連續(xù)沖擊過程中沖擊夾具上的最大應(yīng)力時域曲線如圖5所示。圖5中0～0.06 s對應(yīng)于沖擊夾具的進給過程，此時不發(fā)生碰撞接觸，因此無應(yīng)力產(chǎn)生；0.06～0.15 s為沖擊作用過程，此時在沖擊夾具上產(chǎn)生了周期特征清晰的序列脈沖，脈沖峰值的波動較大，與沖擊夾具在立方體基座內(nèi)的位置及運動狀態(tài)有關(guān)。連續(xù)沖擊過程中沖擊夾具上的最大應(yīng)力主要集中在350～550 MPa范圍內(nèi)，但部分情況下會出現(xiàn)高幅值脈沖，最高應(yīng)力峰值638 MPa，上述應(yīng)力幅值在65 Mn的屈服強度容許范圍內(nèi)，并在極短的時間內(nèi)發(fā)生，因此較少次數(shù)作用下不會出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形及損傷，但較多次沖擊試驗或長期使用時則需注意及時檢查更換。

圖5 沖擊夾具最大應(yīng)力時域曲線

4.2 動力學(xué)分析

仿真獲得沖擊夾具上的沖擊力時域曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，連續(xù)沖擊在沖擊夾具上產(chǎn)生了間隔特征清晰的沖擊力脈沖，由于沖擊試驗初始階段存在沖擊夾具的進給過程，此時沖擊接觸不完全，因此沖擊力幅值相對較低，并隨著進給量的增加而增大；當(dāng)沖擊夾具進給到位后，沖擊力幅值趨于穩(wěn)定，但仍存在一定程度的波動，該現(xiàn)象的出現(xiàn)與連續(xù)沖擊作用下沖擊夾具在立方體基座內(nèi)的復(fù)雜運動狀態(tài)有關(guān)，由于緩沖機構(gòu)的存在，使得每次沖擊時沖擊夾具的空間位置、速度大小、運動方向等均存在隨機性，導(dǎo)致沖擊力峰值出現(xiàn)波動。圖中主要連續(xù)沖擊力幅值大于500 000 N，根據(jù)牛頓第二定律，該沖擊力可在沖擊夾具上產(chǎn)生不小于12 000的沖擊加速度。

圖6 沖擊夾具沖擊力時域曲線

5 試驗

基于設(shè)計的實物樣機開展驗證試驗研究，結(jié)合沖擊試驗裝置控制柜搭建的試驗測量平臺如圖7所示。試驗中設(shè)定轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速1 000 r/min，并采用加速度傳感器回收沖擊試驗數(shù)據(jù)，獲得的加速度傳感器輸出結(jié)果如圖8所示。

圖7 沖擊試驗測量平臺實物圖

圖8 連續(xù)沖擊試驗加速度曲線

從圖8中可以看出，連續(xù)沖擊試驗中沖擊夾具上獲得了脈沖特征清晰的連續(xù)沖擊加速度，沖擊加速度峰值存在一定波動，平均加速度幅值12 000，該試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本較為一致；相比較于仿真結(jié)果，試驗加速度除了沖擊作用過程的高幅值脈沖外，還包含有逐漸衰減的振蕩加速度，這是由于機械結(jié)構(gòu)受沖擊作用后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)振動所導(dǎo)致的?？傮w來看，本研究中的仿真結(jié)果與試驗測量結(jié)果基本吻合，有效驗證了有限元仿真建模方法及結(jié)果的正確性。

6 結(jié)論

1) 提出并設(shè)計了一種新型的旋轉(zhuǎn)式連續(xù)高沖擊試驗裝置，克服了現(xiàn)有連續(xù)沖擊試驗方法中沖擊幅值與沖擊頻率難以同步匹配的不足，可滿足短間隔高幅值連續(xù)沖擊試驗的技術(shù)需求。

2) 建立了試驗裝置主要結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，仿真獲得了試驗裝置關(guān)鍵力學(xué)作用部位的應(yīng)力分布和沖擊夾具的動力學(xué)響應(yīng)，驗證了建模方法和仿真結(jié)果的正確性。通過仿真與試驗的對比分析可知，試驗手段僅可獲得有限的動力學(xué)響應(yīng)信息，而結(jié)合數(shù)值仿真方法則可更詳細(xì)的揭示完整動態(tài)作用過程狀態(tài)信息，實現(xiàn)材料特性的分析和結(jié)構(gòu)強度的校核等，對試驗裝置的性能分析和設(shè)計優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

本文中的沖擊試驗裝置可獲得脈沖特征清晰的連續(xù)加速度響應(yīng)，該連續(xù)脈沖加速度與典型多層硬目標(biāo)侵徹過程的沖擊加速度具有較好的相似性，可有效應(yīng)用于多層硬目標(biāo)侵徹引信的結(jié)構(gòu)強度校核和起爆控制策略驗證；此外，該試驗裝置也可擴展用于一些苛刻連續(xù)高沖擊作用下的結(jié)構(gòu)件考核測試，豐富了現(xiàn)有的動態(tài)力學(xué)試驗手段，研究結(jié)果具有較好的科學(xué)意義和工程實用價值。