基于過載-超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算

徐蓬朝,郁 銳,聶 崢,黃惠東

(1 西安機電信息技術(shù)研究所,西安 710065;2 中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

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基于過載-超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算

徐蓬朝1,郁 銳2,聶 崢1,黃惠東1

(1 西安機電信息技術(shù)研究所,西安 710065;2 中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

針對串聯(lián)攻堅彈前級戰(zhàn)斗部爆炸時,后級引信會承受過載和沖擊波超壓場雙重環(huán)境的作用和影響,提出基于過載-超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算方法。該方法通過建立后級引信的過載-超壓耦合有限元模型,并施加過載-超壓耦合載荷計算后級引信結(jié)構(gòu)件的應力、應變,分析和校核引信的結(jié)構(gòu)強度。試驗結(jié)果表明:基于過載-超壓耦合法的仿真分析結(jié)果與靶場試驗結(jié)果相近,該方法可用于后級引信結(jié)構(gòu)強度的設計和校核。

串聯(lián)攻堅彈;后級引信;結(jié)構(gòu)強度;耦合算法

0 引言

對于串聯(lián)攻堅彈,前級聚能戰(zhàn)斗部爆轟會對隨進彈及引信產(chǎn)生較高的沖擊過載[1],這是計算和校核后級引戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度必須考慮的環(huán)境因素。目前,大多數(shù)文獻主要集中于對前級戰(zhàn)斗部爆轟過載單一條件下后級引戰(zhàn)系統(tǒng)的動態(tài)響應的分析和研究。文獻[2]計算和分析了前級爆轟過載單一條件下隨進彈及引信承受的壓力并校核了彈體、引信的結(jié)構(gòu)強度;文獻[3]計算和分析了前級爆轟沖擊過載單一條件下后級引信內(nèi)部元器件、零部件應力、應變等物理量,校核了后級引信部分機芯結(jié)構(gòu)的強度。

前級聚能戰(zhàn)斗部靜爆試驗時,在距離前級爆心8 m處放置的傳感器測得自由場超壓達到0.085～0.11 MPa。經(jīng)驗[4]認為,當超壓ΔP>0.05 MPa時,可破壞各種輕型兵器和引爆地雷。前級爆轟條件下產(chǎn)生的超壓場也會對后級引信造成一定的沖擊、損壞,因此,對于串聯(lián)攻堅彈后級引信來說,在計算和分析其結(jié)構(gòu)強度時須考慮前級爆炸產(chǎn)生的過載、超壓場雙重環(huán)境的作用和影響。目前,對前級爆轟條件下產(chǎn)生的沖擊過載、超壓場雙重環(huán)境耦合作用下對后級引信殼體結(jié)構(gòu)強度的數(shù)值計算、分析和研究尚未見報導,文中提出基于過載-超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算。

1 超壓場及耦合分析方法介紹

1.1 超壓場介紹

對于串聯(lián)攻堅彈,聚能戰(zhàn)斗部的主要作用是爆炸形成射流對目標進行開孔,同時前級戰(zhàn)斗部爆轟場環(huán)境也會對隨進彈、引信產(chǎn)生一定的影響。前級爆炸示意圖如圖1所示[5]。

圖1 前級戰(zhàn)斗部爆炸示意圖

前級聚能戰(zhàn)斗部爆炸時會迅速釋放高溫、高壓火球并急劇向大氣空間膨脹,產(chǎn)生極強的沖擊波超壓。超壓的峰值取決于炸藥的爆炸威力和距爆心的距離,球形裝藥在無限空氣介質(zhì)中爆炸時,沖擊波超壓可以用以下經(jīng)驗公式估算[6]:

(1)

式中:ΔP為沖擊波波陣面上的超壓(MPa);me為梯恩梯當量(kg);R為距爆心的距離(m)。

1.2 耦合分析方法

耦合法是指考慮了兩種或多種工程物理場之間相互作用的分析方法。目前,大多數(shù)有限元分析軟件具備多物理場耦合分析功能。耦合分析方法可分為兩類:順序耦合、直接耦合。順序耦合分析是指以特定的順序求解單個物理場的耦合分析方法,將前一個分析結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加,主要用于物理場間單向耦合分析。直接耦合分析是指通過使用包含多個物理場自由度的耦合單元,對多個物理場自由度同時計算,利用一次分析就可以直接求得結(jié)果[7-9]。

有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA于1976年在美國開發(fā)完成,經(jīng)過幾十年來不斷改進,在武器結(jié)構(gòu)設計、內(nèi)彈道和終點彈道、軍用材料研制等方面獲得了廣泛的應用。它能夠較好的模擬真實世界的各種復雜性問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸以及金屬成型等非線性動力沖擊問題,同時LS-DYNA軟件擁有彈丸、引信等常用的材料模型及對應的狀態(tài)方程[10-11]。

2 基于過載超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算

前級聚能戰(zhàn)斗部爆轟場環(huán)境對后級引信結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生影響的物理場主要包括過載和超壓兩種環(huán)境。較高的過載會對后級引信零部件、元器件造成破壞;前級爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓作用于引信的蓋板、殼體等結(jié)構(gòu)件也會造成一定的變形,甚至失效。

文中提出了基于過載-超壓耦合算法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算,過載-超壓耦合法采用直接耦合分析方法。在進行過載-超壓場耦合分析時,基本假設:

1)不考慮前級爆轟時產(chǎn)生的熱及電磁輻射對引戰(zhàn)系統(tǒng)的影響;

2)過載及超壓場具有雙向?qū)ΨQ性;

3)材料各向同性假設,同一種材料內(nèi)任一點在各個方向上具有相同的性質(zhì);

4)考慮各種結(jié)構(gòu)的損傷、變形或破壞,結(jié)構(gòu)破壞符合Von Mises強度準則;

5)忽略空氣阻力對引戰(zhàn)系統(tǒng)的影響。

主要計算分析方法如下:

1)建立后級引信的過載-超壓耦合有限元模型。過載有限元模型和超壓有限元模型應具有相互兼容型,兩者耦合之后均不會對對方的計算、分析結(jié)果造成影響。

2)對過載-超壓耦合有限元模型施加耦合邊界條件。

3)對耦合有限元模型施加過載-超壓載荷。過載載荷加載到模型所有節(jié)點組成的組元上,而超壓載荷僅作用于引信蓋板、殼體指定的表面上。

4)設置求解控制參數(shù),對耦合有限元模型進行計算,并對計算結(jié)果進行分析。

基于過載-超壓耦合算法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算原理如圖2所示。

圖2 過載-超壓耦合算法原理圖

3 仿真與試驗驗證

仿真計算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,建模過程采用cm-g-μs單位制,數(shù)值模型主要由后級戰(zhàn)斗部、后級引信、連接螺釘、連接尾螺等部分組成,網(wǎng)格單元是六面體SOLID 164單元,引信有限元模型如圖3所示。

戰(zhàn)斗部、連接螺釘材料模型為JOHNSON-COOK,狀態(tài)方程為GRUNEISEN;引信蓋板、殼體等采用超硬鋁7A04-T6,材料模型為PLASTIC_KINEMATIC。主要材料的部分參數(shù)見表1。

3.1 單一過載環(huán)境仿真分析

前級聚能戰(zhàn)斗部爆轟會對隨進彈及引信產(chǎn)生較高的沖擊過載,根據(jù)以往的測試數(shù)據(jù)可知:前級戰(zhàn)斗部在靜態(tài)起爆條件下,后級引信的過載峰值可達15 000g以上,持續(xù)時間較短,在微秒量級,如圖4所示。對實測的過載曲線進行簡單的處理、變換后,將其作為輸入條件加載到數(shù)值模型所有節(jié)點組成的組元上,進行仿真計算。

圖3 后級引信有限元模型

材料密度ρ/(g·cm-3)彈性模量E/GPa屈服強度σy/MPa泊松比μ試驗彈7852101275031引信蓋板、殼體280110625033配重件A300110325033配重件B365110325033連接螺釘785207375030尾螺785207525030

圖4 實測的后級引信過載曲線

仿真計算時間為1.0 ms,每2 μs輸出一次計算結(jié)果文件。計算結(jié)束后,引信結(jié)構(gòu)件峰值應力云圖如圖5所示。

圖5 引信結(jié)構(gòu)件的應力云圖

在前級聚能戰(zhàn)斗部爆轟沖擊過載作用下,引信結(jié)構(gòu)件發(fā)生了一定的應力、應變。由于戰(zhàn)斗部約束了引信殼體、連接螺釘?shù)鹊妮S向位移,引信結(jié)構(gòu)件最大應力、應變發(fā)生在蓋板上。由圖5可以看出,引信峰值應力位于蓋板周向邊緣,最大應力549.1 MPa,出現(xiàn)在408 μs時刻。引信蓋板材料為超硬鋁7A04-T6,材料屈服強度大于625 MPa,因此,在單一過載環(huán)境下,引信結(jié)構(gòu)件不會發(fā)生塑性變形。

3.2 過載超壓耦合算法仿真分析

根據(jù)式(1)可以計算出后級引信位置處的沖擊波超壓峰值約為0.26 MPa。假設前級戰(zhàn)斗部爆炸場地為自由空間,則沖擊波波形即P-t曲線如圖6所示[12]。根據(jù)式(1)的計算結(jié)果,將P-t曲線作為沖擊波超壓載荷的輸入條件。

圖6 自由空間中的P-t曲線

計算分析采用過載-超壓耦合算法,對耦合有限元模型施加過載-超壓耦合載荷,過載載荷加載到模型所有節(jié)點組成的組元上,而沖擊波超壓載荷僅作用于引信蓋板、殼體及螺釘?shù)戎付ǖ谋砻嫔?過載-超壓耦合載荷加載方向為彈體軸向,即彈尾法向。根據(jù)應力波在彈體介質(zhì)中的傳播規(guī)律及爆轟波在空氣介質(zhì)的傳播規(guī)律可以確定過載-超壓耦合載荷的加載時序。

仿真計算時間為1.0 ms,每2 μs輸出一次計算結(jié)果文件。計算結(jié)束后,引信結(jié)構(gòu)件峰值應力云圖如圖7所示。

在過載-超壓耦合載荷作用下,引信結(jié)構(gòu)件發(fā)生了較大的應力、應變。由于戰(zhàn)斗部約束了引信殼體、連接螺釘?shù)鹊妮S向位移,引信結(jié)構(gòu)件最大應力、應變位置發(fā)生在引信蓋板上。由圖7可以看出,引信峰值應力位于蓋板周向邊緣,最大應力1240.0 MPa,出現(xiàn)在426 μs時刻,其工作應力遠大于蓋板材料屈服強度。因此,在過載-超壓耦合環(huán)境下,引信蓋板會發(fā)生塑性變形,甚至破壞、失效。

圖7 引信結(jié)構(gòu)件的應力云圖

綜上,仿真計算結(jié)果表明后級引信結(jié)構(gòu)件在前級戰(zhàn)斗部爆轟場產(chǎn)生的過載-超壓耦合環(huán)境下會產(chǎn)生較大的應力變形,甚至破壞、失效,這會對后級引信的發(fā)火可靠性產(chǎn)生一定的影響。

3.3 試驗驗證

外場靜態(tài)起爆試驗嚴格按照圖3所示結(jié)構(gòu)設計后級引信,試驗時嚴格按照設計尺寸將后級戰(zhàn)斗部放置于前級聚能戰(zhàn)斗部后端,后級引信依靠8枚螺釘與戰(zhàn)斗部可靠連接,其中,后級引信為測試引信,試驗數(shù)量3發(fā)。

試驗時,靜態(tài)起爆前級戰(zhàn)斗部。試驗后,回收后級試驗彈并拆卸引信,其中2發(fā)引信蓋板邊緣出現(xiàn)裂紋,變形較為嚴重,另外1發(fā)引信蓋板完全斷裂,試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗后后級引信結(jié)構(gòu)變形情況表

由試驗結(jié)果可以看出,在前級戰(zhàn)斗部爆轟場環(huán)境下,3發(fā)后級引信殼體、機芯配重件等結(jié)構(gòu)件保持結(jié)果完好,而蓋板均出現(xiàn)了不同程度的破壞性塑性變形,2發(fā)蓋板頂部出現(xiàn)周向裂紋,1發(fā)蓋板完全斷裂,如圖8所示。由3.2節(jié)計算分析結(jié)果可知,在過載-超壓耦合環(huán)境下,引信蓋板的工作應力遠大于其材料屈服強度,引信蓋板會發(fā)生塑性變形,甚至破壞、失效。

圖8 試驗后回收引信照片

3發(fā)外場試驗結(jié)果表明:靶場試驗時后級引信結(jié)構(gòu)件失效、變形情況與過載-超壓耦合法計算分析結(jié)果相近。因此,在設計后級引信時不僅要考慮過載環(huán)境對結(jié)構(gòu)件的沖擊,而且要考慮沖擊波超壓對引信蓋板等結(jié)構(gòu)件強度的影響。

4 結(jié)論

文中提出了基于過載-超壓耦合法的后級引信結(jié)構(gòu)強度計算方法。該方法通過建立后級引信的過載-超壓耦合有限元模型,用加載和求解模塊施加過載-超壓耦合載荷計算后級引信結(jié)構(gòu)件的應力、應變,分析和校核引信的結(jié)構(gòu)強度。試驗結(jié)果表明:基于過載-超壓耦合法的仿真分析結(jié)果與靶場試驗結(jié)果相近,該方法可以用于串聯(lián)引信結(jié)構(gòu)強度的設計和校核。在設計后級引信蓋板、殼體等結(jié)構(gòu)件時可通過選用強度較高的材料如TC4、30CrMnSiA2并應采取反射、衰減爆轟波等措施,使后級引信在前級戰(zhàn)斗部爆轟場產(chǎn)生的過載-超壓雙重環(huán)境下不會發(fā)生較大的應力變形,保證后級引信的發(fā)火可靠性。

文中的不足之處,理論計算是在借鑒了經(jīng)驗公式的情況下進行的,仿真分析結(jié)果是在理想工況的基礎上得到的,結(jié)果有一定的誤差。

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Structural Strength Computation of Following Fuze Based on Coupled Overload-overpressure Method

XU Pengzhao1,YU Rui2,NIE Zheng1,HUANG Huidong1

(1 Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China; 2 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In view of that following fuze is bound to undergo coupled overload-overpressure condition of precursory detonation, structural strength computation of following fuze based on coupled overload-overpressure method was put forward. The coupled overload-overpressure finite model of following fuze was built firstly, and coupled overload-overpressure loads were applied to calculate stress and strain of following fuze body to analyze the structure strength. The field experiment results show that the simulation results of coupled overload-overpressure method are close to that of field experiment and the method could be applied to structure strength calculation of following fuze.

tandem warhead; following fuze; structure strength; coupled overload-overpressure method

1015-12-18

徐蓬朝(1984-),男,河北霸州人,工程師,碩士,研究方向:機電引信技術(shù)。

TJ430.3

A