劉　鵬,王雨時(shí),聞　泉,張志彪

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

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彈頭觸發(fā)引信防雨試驗(yàn)水柱靶仿真

劉鵬,王雨時(shí),聞泉,張志彪

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

為了研究彈頭觸發(fā)引信防雨試驗(yàn)中采用的人工水柱靶與自然雨滴的等效性,通過數(shù)值仿真軟件,應(yīng)用光滑粒子流體動力學(xué)方法和有限元法耦合方法,仿真了不同觸發(fā)區(qū)直徑的彈頭觸發(fā)引信內(nèi)凹和外凸觸發(fā)機(jī)構(gòu)分別撞擊雨滴及其質(zhì)量等效水柱靶的過程,得到了撞擊過程中觸發(fā)區(qū)內(nèi)觸桿剪切凸臺最大剪切應(yīng)力的峰值、持續(xù)時(shí)間和波形。仿真結(jié)果表明,按質(zhì)量等效原則確定的人工水柱靶能夠較準(zhǔn)確地模擬自然雨滴撞擊引信觸發(fā)區(qū)過程,可用于彈頭觸發(fā)引信防雨性能試驗(yàn)考核。

彈頭引信;雨滴;人工雨場;碰撞;數(shù)值仿真

為了確保全天候作戰(zhàn)效能,引信研制時(shí)需考核防雨性能[1-6],這對高速飛行的彈頭觸發(fā)引信尤其重要。靶場防雨試驗(yàn)方法基本上有3種:①自然雨場中射擊;②人工雨場中射擊;③對自然雨場等效物射擊。因自然雨場受氣候影響很大,時(shí)機(jī)難以掌控,再現(xiàn)性也較差,故用自然雨場進(jìn)行引信防雨性能試驗(yàn)可行性較小。用等效靶板試驗(yàn)引信防雨性能[7],涉及引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理,等效準(zhǔn)確性難以提高。與自然雨場相比,人工雨場可以控制和再現(xiàn)。美軍人工雨場是在靶道上設(shè)置多個(gè)噴頭,用噴頭中噴出的水滴來模擬自然雨場,調(diào)節(jié)噴頭的噴孔直徑大小、密度和水壓來控制雨強(qiáng)和雨滴密度[8]。但是這種人工雨場占地較大(靶道長約300～900m),并且必須選擇在充裕水源附近,因此未見得到普遍應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]中使用的人工雨場采用水簾靶和水柱靶2種等效方式,按質(zhì)量等效原則來代替自然雨滴進(jìn)行試驗(yàn)。水簾靶等效雖簡單,但水簾下落速度低,受風(fēng)速影響較大使水簾厚度不穩(wěn)定;而水柱靶等效時(shí),引信頭部觸發(fā)區(qū)撞擊受力狀況和過程與自然雨滴的更為接近。本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上借助有限元仿真軟件,應(yīng)用光滑粒子流體動力學(xué)方法和有限元法耦合方法,仿真彈頭觸發(fā)引信觸發(fā)區(qū)所受雨滴及其質(zhì)量等效水柱的撞擊過程,從而評估和論證水柱靶對自然雨滴的等效情況。

1　水柱和水滴的質(zhì)量等效關(guān)系

水柱靶通過噴孔由重力形成。噴孔暨水柱為多排交錯(cuò)布局。假設(shè)引信頭部觸發(fā)區(qū)與水柱的碰撞過程中總有一次完全對中碰撞或近似對中碰撞。忽略有可能出現(xiàn)的多次偏心碰撞,只考慮對中或近似對中碰撞,如圖1所示。等效雨滴質(zhì)量的水柱直徑與引信頭部觸發(fā)區(qū)直徑有關(guān)。因雨滴的密度基本恒定,故只要保證雨滴和其質(zhì)量等效水柱在引信頭部觸發(fā)區(qū)內(nèi)的水的體積相同即可。典型大暴雨直徑為5～6mm。取雨滴直徑為5.6mm。觸發(fā)區(qū)截取雨滴和水柱體積的數(shù)學(xué)模型如圖2和圖3所示,圖中,ra為觸發(fā)區(qū)半徑,rc為雨滴半徑,rb為等效水柱半徑。

圖1　引信撞擊水柱和雨滴

(1)

式中:r為柱坐標(biāo)系中的圓柱面半徑。

圖2　引信觸發(fā)區(qū)撞擊雨滴時(shí)的截取區(qū)數(shù)學(xué)模型

圖3　引信觸發(fā)區(qū)撞擊水柱時(shí)的截取區(qū)八分之一數(shù)學(xué)模型

(2)

假定觸發(fā)區(qū)雨水質(zhì)量為m,按質(zhì)量等效原則,令V1=V2,即可求得等效水柱的直徑2rb。式(2)中的表達(dá)式不可積,只能求數(shù)值解。利用Matlab軟件求解引信觸發(fā)區(qū)直徑不同時(shí)與直徑5.6mm雨滴質(zhì)量等效的水柱直徑,結(jié)果如表1所示。

表1　質(zhì)量等效直徑5.6 mm雨滴的模擬水柱直徑

2　仿真模型

采用文獻(xiàn)[9]中仿真假設(shè)、模型、方法和參數(shù)建模,引信防雨研究所用的頭部簡化結(jié)構(gòu)如圖4所示。雨滴與水柱2種有限元仿真模型如圖5所示。引信體和觸桿材料取45#鋼。

圖4　頭部簡化結(jié)構(gòu)

3　仿真結(jié)果與分析

對雨滴和相應(yīng)的質(zhì)量等效水柱在各種撞擊速度下進(jìn)行仿真分析,通過比較觸桿剪切凸臺的剪切應(yīng)力來分析雨滴和水柱對引信的撞擊作用。圖6給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結(jié)構(gòu)以300m/s的撞擊速度撞擊水柱靶的仿真效果。圖7給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結(jié)構(gòu)以不同速度撞擊目標(biāo)時(shí)觸桿受到的剪切應(yīng)力τ與時(shí)間t的關(guān)系曲線。觸桿直徑2ra=4mm,8mm,10mm的外凸結(jié)構(gòu)以各種速度撞擊目標(biāo)時(shí)觸桿剪切凸臺受到的最大剪切應(yīng)力曲線與圖7相似,即撞擊雨滴與撞擊水柱應(yīng)力曲線相近。對內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的仿真也得出了此結(jié)論。仿真結(jié)果如表2至表5所示,表中,v為撞擊速度,τmax為最大剪切應(yīng)力,δ為相對誤差。

圖6　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結(jié)構(gòu)撞擊水柱過程(v=300 m/s)

圖7　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結(jié)構(gòu)圓臺處剪切應(yīng)力變化

v/(m·s-1)外凸結(jié)構(gòu)τmax/MPa水滴質(zhì)量等效水柱δ/%內(nèi)凹結(jié)構(gòu)τmax/MPa水滴質(zhì)量等效水柱δ/%300228.68203.63-10.95275.27218.60-20.59500349.08354.301.50530.90509.31-4.07800549.08542.34-1.23637.02655.692.931100590.17590.12-0.01694.50682.32-1.75

表3　觸桿直徑2ra=6 mm時(shí)仿真結(jié)果

表4　觸桿直徑2ra=8 mm時(shí)仿真結(jié)果

表5　觸桿直徑2ra=10 mm時(shí)仿真結(jié)果

表6　不同速度對應(yīng)的相對誤差絕對值的平均值

表7　不同觸桿直徑對應(yīng)的相對誤差絕對值的平均值

從表2～表5可看出,引信內(nèi)凹觸發(fā)結(jié)構(gòu)撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱時(shí),觸桿剪切凸臺處受到的最大剪切應(yīng)力大于外凸觸發(fā)結(jié)構(gòu)時(shí)受到的最大剪切應(yīng)力。當(dāng)引信撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱速度較小時(shí),無論是內(nèi)凹觸發(fā)結(jié)構(gòu)還是外凸觸發(fā)結(jié)構(gòu),撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱所產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力之間差異稍大,這可能是因?yàn)樗魏退囼?yàn)本身的邊界條件存在差異,當(dāng)速度較小時(shí),邊界條件影響較大使得飛濺過程不同。結(jié)合表6可看出,撞擊速度越大觸桿剪切凸臺處受到的最大剪切應(yīng)力相對誤差越小。由表7可知,當(dāng)觸發(fā)區(qū)直徑與雨滴直徑相差較小時(shí),質(zhì)量等效水柱模擬雨滴碰撞過程更為一致。

4　結(jié)束語

本文采用光滑粒子流體動力學(xué)方法和有限元法耦合方法對彈頭引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)撞擊雨滴及質(zhì)量等效水柱過程進(jìn)行有限元仿真分析,仿真結(jié)果表明,應(yīng)用水柱靶以質(zhì)量等效原則等效自然雨滴能夠較好地模擬雨滴對彈頭引信的碰撞過程,且撞擊所產(chǎn)生的作用力變化規(guī)律、峰值和持續(xù)時(shí)間基本相同,最大作用力差異在25%以內(nèi)?？紤]到速度較小的彈丸,引信雨滴撞擊破壞作用較弱,故防雨意義不大;當(dāng)水柱靶用于速度較大(800m/s以上)彈丸引信防雨試驗(yàn)等效時(shí),相對誤差在7.5%以內(nèi),因此按質(zhì)量等效原則使用水柱靶模擬自然雨滴進(jìn)行觸發(fā)引信防雨性能試驗(yàn)是可行的。

[1]劉明杰,徐福君.引信防雨初論[J].現(xiàn)代引信,1986(2):15-25.

LIUMing-jie,XUFu-jun.Theinitialexplorationoffuzerainproof[J].ModernFuze,1986(2):15-25.(inChinese)

[2]張德智,王雨時(shí),曹純柱.國外觸發(fā)引信防雨裝置研究和防雨性能現(xiàn)狀[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1989,8(2):62-73.

ZHANGDe-zhi,WANGYu-shi,CAOChun-zhu.Currentsituationofforeignpointdetonatingfuze’sraininsensitivedeviceresearchandperformance[J].JournalofShenyangInstituteofTechnology,1989,8(2):62-73.(inChinese)

[3]王雨時(shí),張德智,曹純柱.觸發(fā)引信防雨裝置研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代引信,1991,9(1):23-31.

WANGYu-shi,ZHANGDe-zhi,CAOChun-zhu.Developmentofpointdetonatingfuze’sraininsensitivedevice[J].ModernFuze,1991,9(1):23-31.(inChinese)

[4]王寶興,龔少華.引信防雨機(jī)構(gòu)的理論研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),1992(2):39-44.

WANGBao-xing,GONGShao-hua.Theoryresearchoffuze’sraininsensitivedevice[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology,1992(2):39-44.(inChinese)

[5]王炅,黃文良.引信防雨研究[J].探測與控制學(xué)報(bào),1999,21(1):10-15.WANGJiong,HUANGWen-liang.Researchoffuzerainproof[J].JournalofDetection&Control,1999,21(1):10-15.(inChinese)

[6]黃曉毛,程翔,王炅,等.M739引信防雨桿受雨滴沖擊作用力實(shí)驗(yàn)研究[J].彈道學(xué)報(bào),1999,11(4):70-76.

HUANGXiao-mao,CHENGXiang,WANGJiong,etal.ExperimentresearchofraindropimpactforceonM739fuze’srainproofrods[J].JournalofBallistics,1999,11(4):70-76.(inChinese)

[7]王雨時(shí),張德智,曹純柱.觸發(fā)引信防雨試驗(yàn)的等效靶板模擬[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1994,13(1):27-37.

WANGYu-shi,ZHANGDe-zhi,CAOChun-zhu.Simulationofpointdetonatingfuze’sequivalenttargetforrainprooftest[J].JournalofShenyangInstituteofTechnology,1994,13(1):27-37.(inChinese)

[8]王雨時(shí),何瑩臺.美軍引信防雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].兵工標(biāo)準(zhǔn)化,1994(5):18-20.

WANGYu-shi,HEYing-tai.AnalysisoftheU.Sarmy’sfuzerainproofteststandard[J].OrdnanceStandardization,1994(5):18-20.(inChinese)

[9]劉鵬,王雨時(shí),聞泉,等.應(yīng)用光滑粒子流體動力學(xué)方法仿真引信撞擊雨滴過程[J].探測與控制學(xué)報(bào),2016,38(1):32-36.

LIUPeng,WANGYu-shi,WENQuan,etal.NumericalsimulationoftheprocessoffuzeimpactingraindropwithSPHmethod[J].JournalofDetection&Control,2016,38(1):32-36.(inChinese)

SimulationofWaterColumnTargetinRainproofTestforPointDetonatingFuze

LIUPeng,WANGYu-shi,WENQuan,ZHANGZhi-biao

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Inordertostudytheequivalenceofartificialrainwatercolumntargetandnaturalraindropforpointdetonatingfuzerainprooftest,theSPH(smoothedparticlehydrodynamics)andfiniteelementcouplingmethodwasappliedtothefiniteelementsimulationanalysisbynumericalsimulationsoftware,andtheprocessesofconcaveandconvextriggermechanismofdifferenttrigger-zone-diameterpointdetonatingfuzerespectivelyimpactingtheraindropsandmassequivalentwatercolumntargetsweresimulated.Thepeak,durationandwaveformofmaximumshearstressoftriggerrodshearfrontduringtheimpactprocesswereobtained.Simulationresultsshowtheartificialmassequivalentwatercolumntargetcanaccuratelysimulatetheprocessesoffuzetriggerzoneimpactingnaturalraindrop,anditcanbeappliedtopointdetonatingfuzeperformancetestassessment.

pointdetonatingfuze;raindrop;artificialrainfield;collision;numericalsimulation

2015-07-21

劉鵬(1991- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橐偶皬椝幙傮w技術(shù)。E-mail:skiy906@163.com。

王雨時(shí)(1962- ),男,教授,研究方向?yàn)橐偶夹g(shù)。E-mail:wyshi204@163.com。

TJ430.1

A

1004-499X(2016)01-0076-05