引信安全與解除隔離裝置的仿真模型構(gòu)建

張世偉,李 波,王亞斌,李世中

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京 100081)

0 引言

安全系統(tǒng)作為引信不可或缺的一部分,它在引信生產(chǎn)、勤務(wù)處理、裝填、發(fā)射直至延期解除保險(xiǎn)的各種環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用,是引信滿足安全性的重要保障[1-3]。安全性和可靠性是引信完成作戰(zhàn)任務(wù)的根本保證,是引信設(shè)計(jì)必須要滿足的條件。在彈射試驗(yàn)過程中,會(huì)出現(xiàn)引信瞎火現(xiàn)象,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象主要是由引信安全與解除隔離裝置中的部件力學(xué)失效引起的。

針對(duì)引信安全系統(tǒng),文獻(xiàn)[4]用ADAMS軟件對(duì)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行仿真分析,得到引信安全與解除隔離裝置回轉(zhuǎn)體部件在彈道環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;文獻(xiàn)[5]通過離心試驗(yàn)分析安全與解除隔離裝置中閉鎖銷離心時(shí)的狀態(tài),找出導(dǎo)致安全系統(tǒng)未完全解脫保險(xiǎn)的主要原因;文獻(xiàn)[6]通過對(duì)安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)過程進(jìn)行仿真分析,得出了安全系統(tǒng)從安全狀態(tài)到待發(fā)狀態(tài)過渡過程中系統(tǒng)的安全程度和解除保險(xiǎn)程度的變化規(guī)律。

彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程中承受著復(fù)雜的環(huán)境力,引信安全系統(tǒng)也處在一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中,故引信在設(shè)計(jì)之初,其安全機(jī)構(gòu)各個(gè)部件必須經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度校核。在安全系統(tǒng)中安全與解除隔離裝置主要起隔爆作用,其力學(xué)失效將會(huì)導(dǎo)致引信出現(xiàn)瞎火現(xiàn)象。本文通過模擬彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),分析引信安全與解除隔離裝置在此過程中的力學(xué)特性,對(duì)安全與解除隔離裝置部件的力學(xué)失效給出解釋。

1 原理分析

1.1 安全系統(tǒng)工作原理

安全系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 安全系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of security system

安全系統(tǒng)工作原理:引信在生產(chǎn)、勤務(wù)處理、裝填過程中,安全系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)體部件通過兩個(gè)離心爪和后坐銷簧作用的后坐銷,被固定于隔離位置;當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí),在后坐力的作用下,后坐銷壓縮后坐銷簧往下移動(dòng),回轉(zhuǎn)體的一個(gè)約束被釋放;當(dāng)彈丸出炮口后,兩個(gè)離心爪在離心力作用下克服離心爪簧抗力到飛開,從而回轉(zhuǎn)體部件的另一個(gè)約束也就得到了釋放,偏心的回轉(zhuǎn)體部件在離心力作用下帶動(dòng)齒輪系統(tǒng)工作;達(dá)到安全距離后,其回轉(zhuǎn)體部件能轉(zhuǎn)正到位,由閉鎖銷鎖定,引信處于待發(fā)狀態(tài)[5]。安全與解除隔離裝置模型如圖2所示。

圖2 安全與解除隔離裝置模型Fig.2 S&A device model

1.2 建模原則

進(jìn)行顯式仿真分析的第一步是要對(duì)炮管彈體、引信體進(jìn)行建模,計(jì)算和分析是否高效、準(zhǔn)確是由模型質(zhì)量直接決定的,所以在建模過程中需要遵循如下原則:

1) 數(shù)值模型要盡可能準(zhǔn)確地反映真實(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),能簡(jiǎn)化的位置適當(dāng)簡(jiǎn)化,但要確保模型不失真;

2) 仿真計(jì)算之前,模型尺寸單位、材料屬性單位、時(shí)間單位等要保持統(tǒng)一,確保和試驗(yàn)基本一致;

3) 劃分網(wǎng)格時(shí),單元的大小選取要合適,盡可能避免過大或者過小的網(wǎng)格出現(xiàn),網(wǎng)格過大可能會(huì)導(dǎo)致較大的誤差,過小則會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。若必須采用小單元網(wǎng)格劃分,可用質(zhì)量縮放來增大時(shí)間步長(zhǎng)[7]。

彈-引系統(tǒng)、引信體網(wǎng)格模型如圖3、圖4所示。

圖3 彈-引系統(tǒng)六面體網(wǎng)格模型Fig.3 Hexahedral grid model of missile-fuze system

圖4 引信體六面體網(wǎng)格模型Fig.4 Hexahedral mesh model of fuze body

1.3 材料本構(gòu)模型

考慮到彈體在炮管運(yùn)動(dòng)過程中質(zhì)量侵蝕和嚴(yán)重變相幾乎不存在,彈體、引信體材料采用塑性硬化模型。用 Cowper-Symonds 模型考慮應(yīng)變率,屈服應(yīng)力表達(dá)式為

(1)

彈體材料通常采用高強(qiáng)度鋼35CrMnSiA,材料參數(shù)如表1所示。

表1 彈體主要材料參數(shù)Tab.1 Main material parameters of projectile

引信體材料通常采用鋁合金材料,材料參數(shù)如表2所示。

表2 引信體材料參數(shù)Tab.2 Fuze body material parameters

1.4 膛內(nèi)壓力分析

彈帶完全擠入膛線開始直至離開炮口的時(shí)期稱為膛內(nèi)時(shí)期。膛內(nèi)時(shí)期合力Fpt表達(dá)式為[9]

式(3)中,Ft為火藥燃?xì)庾饔迷谔诺椎牧?表達(dá)式為

式(4)中,ω為火藥裝藥質(zhì)量;m為彈丸質(zhì)量;φ1僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦兩種次要功的計(jì)算系數(shù),一般φ1≈1.02;φ為次要功系數(shù),φ≈φ1+ω/(3m);p為膛內(nèi)平均壓力;pt為火藥燃?xì)馓诺讐毫?At為藥室膛底的截面面積。

式(3)中,Fzm為火藥燃?xì)庾饔迷谒幨义F面上的軸向分力,表達(dá)式為

Fzm=pzm(At-A)≈(At-A)pt,

(5)

式(5)中,(At-A)為藥室錐面在垂直炮膛軸線方向的投影面積,A為導(dǎo)向部分的橫截面積,pzm為整個(gè)錐面上火藥燃?xì)鈮毫ζ骄怠?/p>

式(3)中,Fdx為彈丸作用在膛線上的軸向分力,表達(dá)式為

2 仿真方法

Hypermesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品,它具有非常強(qiáng)大的前處理功能。LS-DYNA適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞及爆炸等問題。本文運(yùn)用Hypermesh軟件的前處理功能對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、屬性賦予等工作,之后用LS-DYNA求解器進(jìn)行求解計(jì)算、后處理等工作。

2.1 模型建立

建立完整的炮管-彈體-引信體三維模型,對(duì)引信安全系統(tǒng)的分析,根據(jù)以上建模原則,對(duì)仿真結(jié)果影響程度較小的部件以質(zhì)量塊配重的形式體現(xiàn),對(duì)仿真結(jié)果影響較大的部件及相關(guān)結(jié)構(gòu)詳細(xì)建模。其中,彈軸方向與x軸方向重合。炮-彈-引系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 炮-彈-引系統(tǒng)三維模型Fig.5 Three-dimensional model of gun-projectile-fuze system

1) 火炮身管模型

本文研究的是線膛炮引信安全系統(tǒng),為了能夠準(zhǔn)確模擬出彈體在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng),需要對(duì)炮管的膛線進(jìn)行詳細(xì)建模。根據(jù)已知數(shù)據(jù),火炮身管內(nèi)徑155 mm,48條右旋漸速-等齊混合膛線,纏距3 100 mm,膛線三維模型如圖6所示。

圖6 膛線三維模型Fig.6 Three-dimensional model of rifling

2) 引信模型

就引信部件而言,重點(diǎn)研究安全與解除隔離裝置的動(dòng)態(tài)特性,需要詳細(xì)建模,而觸發(fā)機(jī)構(gòu)、延期機(jī)構(gòu)以及延期機(jī)構(gòu)壓螺等,只需保留其外形輪廓,保證質(zhì)心位置的準(zhǔn)確,以配重質(zhì)量塊的形式體現(xiàn)在模型中。引信部件模型如圖7所示。

圖7 引信部件模型Fig.7 Fuze component model

3) 彈體模型

彈體模型只對(duì)彈帶部分進(jìn)行詳細(xì)建模,內(nèi)部以質(zhì)量配重的形式建模。

4) 膛壓曲線模型

由試驗(yàn)測(cè)得的火炮膛壓p與時(shí)間t的表格函數(shù)得到圖8所示的膛壓曲線。

圖8 試驗(yàn)膛壓曲線Fig.8 Test chamber pressure curve

圖8所示膛壓曲線包含了彈帶擠入膛線的過程。本文研究彈丸從彈帶擠入完成后至出炮口這一運(yùn)動(dòng)過程,需要去除彈帶擠進(jìn)膛線完成前的膛壓數(shù)據(jù)。

根據(jù)動(dòng)量定理式(7),按照時(shí)間逆序的方式,從后往前積分,直到積分值等于mvmax,找到t0時(shí)刻,即仿真初始時(shí)刻。

(7)

式(7)中,Fpt為膛壓,vmax=900 m/s。得到自彈帶擠入完成后的膛壓曲線,如圖9所示。

圖9 仿真膛壓曲線輸入Fig.9 Input of simulated chamber pressure curve

2.2 模型驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)彈體進(jìn)行敲擊試驗(yàn),并根據(jù)彈體有限元模型對(duì)敲擊試驗(yàn)進(jìn)行仿真,如圖10所示。將仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證彈體有限元模型的準(zhǔn)確性。敲擊位置共三處,如圖10中A、B、C三點(diǎn)處,使用力錘用大小不同的力進(jìn)行敲擊,敲擊力大小由力錘連接的力傳感器測(cè)出,作為仿真時(shí)的輸入條件,試驗(yàn)時(shí)彈引間螺紋的預(yù)緊程度相同。

圖10 彈體敲擊試驗(yàn)與仿真Fig.10 Test and simulation of projectile percussion

A、B、C三點(diǎn)處敲擊試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖11所示。

對(duì)比仿真獲得的數(shù)據(jù)與彈體敲擊試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù),可以看出仿真獲得的加速度曲線的波峰、波谷、脈寬與試驗(yàn)獲得的加速度曲線的波峰、波谷、脈寬基本吻合,說明我們創(chuàng)建的彈體的有限元模型較為準(zhǔn)確。

圖11 敲擊試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果Fig.11 Knock test results and simulation results

2.3 邊界條件設(shè)置

對(duì)炮-彈-引模型設(shè)置邊界條件,對(duì)火炮身管x、y、z三方向的自由度添加約束,使火炮身管的空間位置保持固定,彈體底面添加膛壓曲線(pressure),如圖12所示。

圖12 炮膛約束及添加膛壓Fig.12 Gun bore restraintand added bore pressure

3 仿真結(jié)果分析

通過ANSYS中LS-DYNA求解器對(duì)炮-彈-引系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,提取彈體、引信體和安全與解除隔離裝置三個(gè)部件沿x,y,z三個(gè)方向的加速度過載信號(hào),通過數(shù)據(jù)處理,繪出幅值包絡(luò)線,如圖13所示。

圖13 彈體、引信體和安全與解除隔離裝置三方向加速度包絡(luò)曲線Fig.13 Acceleration curves of projectile, fuze and isolation mechanism in three directions

根據(jù)圖13結(jié)果分析可知,在x方向(軸向)上,引信體和安全與解除隔離裝置的過載變化略滯后于彈體,過載由彈體傳遞給引信體,再傳遞至安全與解除隔離裝置的過程中,過載幅值逐級(jí)遞減,過載曲線與膛壓曲線的變化規(guī)律相似;在y、z方向(徑向)上,彈體、引信體和安全與解除隔離裝置的過載幅值基本一致,過載由彈體傳遞給引信體時(shí),存在放大現(xiàn)象,由引信體傳遞給安全與解除隔離裝置時(shí),過載進(jìn)一步放大,安全與解除隔離裝置承受著最大幅值的徑向過載,這可能超過了安全與解除隔離裝置部件所能承受的過載極限。

過載在傳遞過程中被放大,針對(duì)這一現(xiàn)象,進(jìn)行多次仿真,結(jié)果表明,通過修改材料屬性和網(wǎng)格質(zhì)量也只是改變了過載信號(hào)的幅值,過載放大現(xiàn)象依舊存在。

對(duì)安全與解除隔離裝置上下夾板和擺軸進(jìn)行了單獨(dú)分析,其各部件應(yīng)力云圖如圖14—圖16所示。

通過上下夾板和擺軸應(yīng)力云圖可以看出:上夾板最大應(yīng)力出現(xiàn)于擺軸位置;擺軸最大應(yīng)力位于擺軸與擺子相交位置;下夾板最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)體軸的位置;回轉(zhuǎn)體軸最大應(yīng)力位于回轉(zhuǎn)體軸與夾板連接位置;擺軸、回轉(zhuǎn)體軸、第一過渡輪軸、第二過渡輪軸的安裝孔應(yīng)力相對(duì)較大,為強(qiáng)度薄弱點(diǎn),更容易發(fā)生破壞。

圖14 上夾板受力云圖Fig.14 Stress cloud picture of upper splint

圖15 下夾板受力云圖Fig.15 Stress nephogram of lower splint

圖16 擺軸應(yīng)力云圖Fig.16 Stress nephogram of pendulum axis

膛壓曲線數(shù)據(jù)由某機(jī)械觸發(fā)引信發(fā)射平臺(tái)測(cè)得,在該發(fā)射平臺(tái)下進(jìn)行若干發(fā)彈射試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果中有2發(fā)安全系統(tǒng)擺體斷裂,3發(fā)安全系統(tǒng)擺體有明顯裂紋,所有的安全系統(tǒng)的第二、三夾板回轉(zhuǎn)體軸均出現(xiàn)明顯變形,這與仿真過程中出現(xiàn)的安全與解除隔離裝置應(yīng)力集中部位是一致的,且容易分析出發(fā)生失效的原因是安全與解除隔離裝置部件的強(qiáng)度不足。而引信安全系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度校核,理論計(jì)算是滿足強(qiáng)度要求的,但仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果依舊表明是強(qiáng)度失效,說明過載在炮-彈-引逐級(jí)傳遞過程中,由于某些原因逐步放大,超出了安全與解除隔離裝置所能承受的過載極限,導(dǎo)致安全與解除隔離裝置發(fā)生破壞。

過載在炮-彈-引逐級(jí)傳遞過程中逐步放大,需要對(duì)彈-引系統(tǒng)做進(jìn)一步系統(tǒng)分析,找出過載放大造成的原因,重新分析安全與解除隔離裝置各零部件所能承受的最大應(yīng)力及塑性變形,給出零部件動(dòng)載荷下的安全系數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建引信安全與解除隔離裝置模型,對(duì)中大口徑炮彈機(jī)械觸發(fā)引信通用安全與解除隔離裝置進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果證明了本文構(gòu)建的仿真模型的可靠性,并得出以下結(jié)論:彈體在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中的軸向過載與輸入的膛壓曲線的規(guī)律是一致的,徑向過載在各個(gè)方向上基本一致;引信安全與解除隔離裝置承受最高數(shù)值徑向過載,過載在炮-彈-引模型的逐級(jí)傳遞過程中不斷放大,超出了安保機(jī)構(gòu)所能承受的過載極限,導(dǎo)致安保機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障。

過載在炮-彈-引逐級(jí)傳遞過程中不斷放大,為引信失效機(jī)理的分析提供了思路,至于造成這種放大現(xiàn)象的原因,還需進(jìn)一步研究探索。