濕熱應(yīng)力對引信老化行為的影響分析

婁文忠，李昕哲,3，何博，馮恒振，闞文星，李志鵬

濕熱應(yīng)力對引信老化行為的影響分析

婁文忠1,2，李昕哲1,2,3，何博1,2，馮恒振1,2，闞文星1，李志鵬1

（1.北京理工大學(xué) 機電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120； 3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

弄清某型引信在高溫高濕環(huán)境下的失效模式，研究高溫高濕環(huán)境對引信薄弱部件的影響。利用ANSYS workbench軟件，類比熱擴散仿真，建立濕擴散仿真方法。以某型引信為研究對象，開展?jié)穹抡妗岱抡?、?熱-機械耦合仿真，根據(jù)仿真計算結(jié)果，找出薄弱部件，分析其老化失效模式。在環(huán)境溫度為85 ℃和相對濕度為85%條件下，仿真時長設(shè)定為1 h，結(jié)果顯示，引信內(nèi)部溫度傳遞基本達到飽和，濕度分布梯度明顯，產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形量最大在渦輪電機外殼，達0.19 mm，并產(chǎn)生了約17 MPa的應(yīng)力集中，與真實樣品出現(xiàn)的失效部位與失效模式高度一致。高溫高濕環(huán)境下，濕-熱耦合應(yīng)力將導(dǎo)致引信出現(xiàn)缺陷，缺陷集中在電機外殼處。

引信；濕熱耦合仿真；老化行為；薄弱部件；Arrhenius-Peck模型

現(xiàn)代引信是指利用目標信息、環(huán)境信息、平臺信息和網(wǎng)絡(luò)信息，按預(yù)定策略引爆或引燃戰(zhàn)斗部裝藥，并可給出續(xù)航或增程發(fā)動機點火指令，選擇彈藥飛行姿態(tài)、飛行航路及攻擊點，實施攻擊任務(wù)協(xié)同及敵我識別的控制系統(tǒng)[1]。它作為各大彈種的配套武器，承擔(dān)著控制彈藥戰(zhàn)斗部引爆的核心任務(wù)，不作用時常年被貯存在倉庫，作用時僅有幾秒到幾十秒，作為一次性使用的產(chǎn)品，其貯存可靠性問題是兵器行業(yè)的重點關(guān)注的問題[2]。近年來，多種引信在配套炮彈發(fā)射過程中，出現(xiàn)瞎火率高、早炸等危害安全性問題[3]，并且該類問題往往高發(fā)于長期貯存在海島、南方邊境等高溫高濕地界的引信上[4]。由于引信塑料構(gòu)件多，高溫高濕環(huán)境下，塑料老化較快，這極大影響了引信的作用可靠性[5]。目前，國內(nèi)對引信可靠性問題的研究多集中于膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境。張晉華等[6]研究了火炮發(fā)射膛內(nèi)高溫對彈底引信的影響。王曉鋒等[7]研究了膛內(nèi)橫向壓力對引信保險機構(gòu)產(chǎn)生的震蕩影響。周浪等[8]研究了火炮膛內(nèi)發(fā)射過載對彈頭引信防潮片的影響。此外，長期貯存下，環(huán)境對引信產(chǎn)生的影響研究主要以實驗為主。趙榆軒等[9]通過自然貯存試驗研究了引信各機構(gòu)的失效率。李道清等[10]通過加速壽命試驗研究了引信的可靠性。通過有限元仿真模擬高溫高濕環(huán)境對引信影響方面的研究較少。

針對上述現(xiàn)狀，本文以貯存在廣西壯族自治區(qū)邊防的某型中大口徑迫彈引信為研究對象，通過濕仿真、熱仿真、濕-熱-機械耦合仿真相結(jié)合[11]，使用Ansys Workbench軟件，按照美國實驗室加速壽命實驗標準“JESD74 Standard”，在環(huán)境溫度為85 ℃和相對濕度為85%（以下簡稱“雙85”）的條件下，模擬引信高溫高濕環(huán)境。同時，利用Arrhenius加速模型和Peck加速模型計算濕熱加速因子，確定模擬加速時長。結(jié)合仿真結(jié)果和實際觀測結(jié)果，分析引信在高溫高濕環(huán)境下的薄弱部件失效模式，為進一步提高引信可靠性和降低炮彈瞎火率打下堅實基礎(chǔ)。

1 濕-熱-機械耦合仿真和加速壽命計算模型

1.1 濕-熱-機械耦合仿真

1.1.1 濕氣擴散理論

濕氣擴散相當于水分子從外界擴散到物體內(nèi)部，描述分子擴散行為中分子濃度隨時間的變化關(guān)系時，常用Fick第二定律[12]。三維空間的Fick第二定律表達形式為：

式中：(,,,)為擴散物質(zhì)的體積濃度；為擴散系數(shù)；為擴散時間；,,表示3個方向的擴散距離。

1.1.2 熱擴散理論

溫度梯度是熱傳導(dǎo)的驅(qū)動力，溫度梯度與熱能交換的關(guān)系由熱傳導(dǎo)的傅里葉定律給出。如圖1所示，一小平行四邊形為傳熱單元體，其體積為d=ddd。用in表示熱能進入的速率；out表示熱能離開的速率；st表示物體儲存的熱能。由于物體自身在貯存情況下不產(chǎn)生熱量，因此根據(jù)能量守恒可知：

in?out=st(2)

圖1 傳熱單元示意圖

假設(shè)物質(zhì)沒有相變化和化學(xué)變化。設(shè)1 kg均相物質(zhì)溫度升高1 K所需熱量為p，物質(zhì)的密度為，則熱量在物體中的儲存率為：

設(shè)q為方向的能量傳遞速率，由傅里葉定律可得：

則：

同樣，其他方向分別為：

由此，根據(jù)能量守恒定律，可以得出熱擴散方程[13]：

整理式（8）可得：

1.1.3 濕仿真機理

目前，市面上的仿真軟件均不具備濕氣擴散仿真功能，擬用類比的方法實現(xiàn)濕擴散仿真。由上文的分析可知，水分子擴散和熱擴散理論方法相似，但是相比于溫度連續(xù)性擴散，濕氣擴散因為材料的飽和吸濕濃度（sat）不同，在不同材料的傳遞界面不連續(xù)，如圖2所示。

圖2 界面和體內(nèi)濕氣分布

引入了相對濕度來解決界面?zhèn)鬟f不連續(xù)問題[14]：

當=0時，表示外界濕氣濃度為0，處于干燥狀態(tài)；當=1時，表示材料被濕氣浸透，材料達到其飽和濕氣值?；谒謹U散方程，此時相對濃度的擴散方程表征為：

由式（11）與熱擴散方程類比，只要將濕擴散與熱擴散變量等價替換，就可用現(xiàn)有有限元仿真軟件實現(xiàn)濕擴散模擬[15]，模擬量替換見表1。

表1 參數(shù)對應(yīng)關(guān)系

Tab.1 Parameter correspondence

1.1.4 濕-熱-機械耦合機理

假設(shè)原始產(chǎn)品出廠時的溫度為產(chǎn)品的固有溫度0，該溫度下產(chǎn)品各部分材料所受溫度產(chǎn)生的應(yīng)力和變形都為0。當溫度發(fā)生變化，由于產(chǎn)品各部分材料受溫度而產(chǎn)生的形變影響不同，表征為各材料的熱膨脹系數(shù)就會不同。當溫度為時，各部分產(chǎn)生的熱應(yīng)變t可表示為：

式中：t為熱應(yīng)變；為熱膨脹系數(shù)；為外界環(huán)境溫度；0為材料固有溫度。

式中：c為濕變形；為吸濕膨脹系數(shù)；為濕氣濃度；sat為飽和吸濕濃度；為相對濕度。

為了得到濕-熱-機械耦合應(yīng)變，選用線性彈性分析，將濕應(yīng)變看作熱應(yīng)變的附加應(yīng)變值，通過疊加濕、熱應(yīng)變，可得到濕-熱-機械耦合應(yīng)變[17]：

因此，可以定義參數(shù)*替代來進行濕-熱-機械應(yīng)力的有限元仿真：

1.1.5 仿真計算流程

1）模型建立。建立如圖3所示的產(chǎn)品全模型，模型外部由0.12 mm鋁制密封袋包裹，頭部由鋼制保護罩保護風(fēng)帽不受損。整個產(chǎn)品主要分成3個部分：上部包括風(fēng)帽、電子頭、灌封電路板和一些塑料外殼；中部由4顆螺釘連接到下殼體，內(nèi)部包括渦輪發(fā)動機，發(fā)動機底部固連線路對接板，板上安裝擊針；下部分包括安全與解保機構(gòu)和外殼。

圖3 某型引信模型

2）網(wǎng)格劃分。為了獲得更高的網(wǎng)格質(zhì)量，提高結(jié)果精確度，同時保證收斂和合理的計算時間，整體采用高平滑六面體網(wǎng)格，如圖4所示。全局網(wǎng)格最大單元邊長為5 mm，最小單元邊長為2 mm，單位平均質(zhì)量為0.802 3，網(wǎng)格縱橫比為3.778 6。該網(wǎng)格質(zhì)量適用于當前仿真計算。

圖4 網(wǎng)格劃分

3）材料參數(shù)。某型引信上各構(gòu)件的材料類型見表2，材料的熱特性參數(shù)見表3[18-19]，濕特性參數(shù)見表4[20-21]，結(jié)構(gòu)力學(xué)特性參數(shù)見表5。

最近一則消息《生物炭基肥可能作為新型有機肥料納入肥料等級管理目錄》，源自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部10月17日公開的一份《十三屆全國人大一次會議第6845號建議答復(fù)摘要》。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將會同相關(guān)部門抓好以下幾項工作：一是加強機理研究。組織專家對生物炭基肥的主要成分、作用機理、檢測方法等開展研究，提出將其作為新型有機肥料納入肥料登記管理目錄的可行性。二是開展試驗示范。結(jié)合實施耕地保護與質(zhì)量提升、果菜茶有機肥替代化肥試點、東北黑土地保護利用試點等項目，在適宜地區(qū)、適宜作物上組織開展生物炭基肥試驗示范，對產(chǎn)品效果進行科學(xué)評價。

表2 各構(gòu)件的材料類型

Tab.2 Material type for each part

表3 材料的熱特性參數(shù)

Tab.3 Thermal characteristic parameters of material

表4 材料的濕特性參數(shù)

Tab.4 Wet characteristic parameters of material

表5 材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性參數(shù)

Tab.5 Mechanical characteristic parameters of material structure

4）邊界條件。為了較好地模擬該產(chǎn)品在高溫高濕環(huán)境下的變化，分析其薄弱部件，仿真設(shè)置環(huán)境條件采用“雙85”試驗條件，即環(huán)境溫度為85 ℃，相對濕度為85%，初始溫度為22 ℃，初始相對濕度為0，仿真時長為1 h，螺釘為固定支撐。

5）仿真流程。本方案利用ANSYS workbench模擬，先分別對產(chǎn)品進行濕和熱的擴散分布仿真，再分別計算其濕應(yīng)力和熱應(yīng)力，最后耦合2個應(yīng)力結(jié)果[20]。流程如圖5所示。

圖5 濕熱耦合仿真流程

1.2 加速壽命計算模型

為了短時間內(nèi)獲取產(chǎn)品的壽命參數(shù)，一般采用提高溫度和濕度的方法來加速老化，加速老化的速率大小用加速因子AF[22]表征：

式中：u為使用壽命；t為加速條件下的壽命。

1）Arrhenius加速模型。Arrhenius模型常用于描述溫度加速因子的模型[23-24]為：

式中：AF,T為溫度加速因子；a為活化能；為玻爾茲曼常數(shù)，取=8.617×10?5eV/K；U為正常使用條件下的溫度；A為加速條件下的溫度。

2）Peck加速模型。Peck模型[25-26]可用于描述濕度加速因子，其模型為：

式中：()為壽命，通常用時間表征；、為常數(shù)，模型參數(shù)之一；為相對濕度。

基于上述公式，得到濕度的加速因子計算公式：

式中：AF,H為濕度加速因子；為模型參數(shù)，取值一般在1～5，由腐蝕特性決定；U為使用環(huán)境相對濕度；A為加速實驗環(huán)境相對濕度。

綜合上述2個加速模型，可以得到溫濕度雙應(yīng)力加速模型。假設(shè)溫度和濕度所導(dǎo)致的失效機理相對獨立，將2個模型相乘來獲得溫濕度雙加速模型：

2 結(jié)果及分析

在“雙85”條件下，對產(chǎn)品進行了1 h的濕氣和溫度擴散的仿真，加速時間為1 h，實際自然條件下的試驗數(shù)據(jù)見表6。由計算可知，“雙85”下對該產(chǎn)品進行1 h的濕熱加速，相當于自然條件下，放置8.5 d。

產(chǎn)品內(nèi)部相對濕度和溫度擴散的云圖如圖6和圖7所示。由圖6、圖7可知，濕傳遞過程表現(xiàn)出不均勻的擴散，且相對濕度傳遞最小為0，表現(xiàn)為材料不吸濕，相對濕度傳遞最大為85%，最小和最大差距大，說明濕擴散梯度明顯。熱擴散1 h后，內(nèi)部擴散溫度梯度小于0.1，可認為熱擴散完全浸透產(chǎn)品。

圖6 某型引信內(nèi)部相對濕度分布云圖

圖7 某型引信內(nèi)部溫度分布云圖

分別將產(chǎn)品溫度場和濕度場與靜態(tài)力學(xué)場耦合，計算熱應(yīng)力和濕應(yīng)力對產(chǎn)品各部位的影響，以此分析應(yīng)力集中和變形集中部位，結(jié)果如圖8所示。從圖8a、b可知，在模擬濕熱環(huán)境中，熱應(yīng)力和變形主要集中在產(chǎn)品的渦輪電機外殼、渦輪電機扇葉尖端以及底部線路對接板處。圖8c、d示出了基于濕度場的濕應(yīng)力和變形分布，濕應(yīng)力主要集中在渦輪電機處。

高濕和熱的耦合作用下，濕熱應(yīng)力和變形主要集中在風(fēng)帽尖端、渦輪電機和線路對接板處，如圖9所示。從上述仿真結(jié)果還可以看出，熱導(dǎo)致引信形變最大約為0.11 mm，最大平均應(yīng)力集中在渦輪電機外殼處，約15 MPa，而單獨的濕導(dǎo)致的引信變形量較低，約0.000 9 mm，最大平均應(yīng)力集中在渦輪電機外殼處，約3 MPa。由兩者應(yīng)力集中對比可知，溫度導(dǎo)致引信應(yīng)力集中影響的占比大，達到83.3%，濕度導(dǎo)致引信應(yīng)力集中影響占比較小，約為16.7%。

圖8 某型引信濕、熱變形與應(yīng)力集中云圖

圖9 某型引信濕熱耦合變形與應(yīng)力集中云圖

通過上述對產(chǎn)品整體的應(yīng)力集中和變形分析，確定該產(chǎn)品在高溫高濕環(huán)境下容易產(chǎn)生失效的部位在渦輪電機外殼、線路對接板以及渦輪尖端，下面對這些地方放大應(yīng)力和形變仿真，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，渦輪電機外殼的螺釘連接處受到其兩邊由于濕熱膨脹變形而產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用而可能產(chǎn)生裂紋、裂孔等故障。渦輪尖端實際為細小曲形扇葉，扇葉尖端本身強度較低，抗彎曲能力弱，受到濕熱膨脹后，尖端可能產(chǎn)生移位、彎曲變形等故障。線路對接板下固連著發(fā)火擊針，線路對接板在濕熱影響下發(fā)生變形，如中部下凹等，會嚴重影響發(fā)火擊針的作用效能。

真實產(chǎn)品生產(chǎn)后，由鋁制密封袋密封保存在倉庫，在試驗前從倉庫內(nèi)取出，試驗分2批次，分別在北方和南方試驗。放置1周后，北方批次開包后未見引信異樣，在南方當?shù)兀ù说貧鉁睾拖鄬穸确謩e為25 ℃和85%）開包后，部分產(chǎn)品如圖11所示。可以看出，渦輪電機外殼出現(xiàn)了約15 mm長的表面裂紋，該裂紋呈張開型[27]。由于南北差異主要表現(xiàn)為氣溫和濕度，因此這與高溫高濕仿真結(jié)果中渦輪外殼應(yīng)力和變形集中一致，很好地驗證了仿真方法的可行性。

圖11 某型引信真實樣品缺陷

3 結(jié)論

1）基于Fick第二定律，類比溫度擴散和熱-機械耦合仿真方法，建立了濕傳遞、濕-機械耦合以及濕-熱-機械耦合的仿真方法。

2）以廣西某地貯存的產(chǎn)品為研究對象，計算了其在“雙85”加速試驗條件下，1 h后的各部位應(yīng)力集中和變形情況。產(chǎn)品由于濕熱耦合產(chǎn)生大形變量和應(yīng)力集中的部位分布在渦輪電機外殼、渦輪電機口和下部粘接的線路對接板，各部位形變分別為0.19、0.08、0.05 mm左右，內(nèi)部上升引起的最大拉伸應(yīng)力分別為17、9.5、11 MPa左右。

3）基于廣西真實貯存的樣品，與北方開包樣品相比，南方的樣品中發(fā)現(xiàn)了引信渦輪外殼處出現(xiàn)約15 mm張開型裂紋。南北環(huán)境差異主要表現(xiàn)為高溫高濕，這與仿真條件和結(jié)果都高度一致，以此驗證了仿真方法的可行性和準確性。

本文研究所用的濕-熱-耦合仿真模型未考慮溫度對濕度的影響，這將導(dǎo)致仿真結(jié)果與實際情況之間的匹配存在一定的局限性，未來可將此影響納入考慮，使仿真模型更加精確計算現(xiàn)實問題。

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Analysis of the Effect of Hygrothermal Stress on the Aging Behavior of a Certain Type of Fuze

LOU Wen-zhong1,2, LI Xin-zhe1,2,3, HE Bo1,2, FENG Heng-zhen1,2, KAN Wen-xing1, LI Zhi-peng1

(1. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Chongqing Innovation Center, Beijing Institute of Technology, Chongqing 401120, China; 3. Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to study the effects of high temperature and high humidity on weak parts of fuze, so as to find out the failure mode of a certain type of fuze in high temperature and high humidity environment. ANSYS workbench software was used to simulate thermal dispersion and establish a wet diffusion simulation method. With a certain type of fuze as the research object, wet simulation, thermal simulation and moist-thermal-mechanical coupling simulation were carried out, and according to the simulation calculation results, the weak parts were found out and their aging failure behavior was analyzed. Under the conditions of ambient temperature of 85 ℃ and relative humidity of 85%, after 1 hour of simulation, the internal temperature transmission of the fuze basically reached saturated state, the humidity distribution gradient was obvious, and the maximum deformation of the product due to humid thermal stress was 0.19 mm in the turbine motor housing, and a stress concentration of about 17 MPa was generated, which was highly consistent with the failure site and failure mode of the real sample. Therefore, in high temperature and high humidity environment, the hygrothermal stress will cause defects to the fuze, and the defects will be concentrated in the motor housing.

fuze; moist-thermal coupling simulation; aging behavior; weak parts; Arrhenius-Peck model

2023-06-27；

2023-08-09

National Natural Science Foundation of China Youth Fund (62304022); 2022-2024 China Association for Science and Technology Innovation Integration Society Consortium Young Talent Sponsorship Project (2022QNRC001)

TJ430.89

A

1672-9242(2023)10-0047-09

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.006

2023-06-27；

2023-08-09

國家自然科學(xué)基金青年基金（62304022）；2022-2024年度中國科協(xié)創(chuàng)新融合學(xué)會聯(lián)合體青年人才托舉工程（2022QNRC001）

婁文忠, 李昕哲, 何博, 等. 濕熱應(yīng)力對引信老化行為的影響分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 47-55.

LOU Wen-zhong, LI Xin-zhe, HE Bo, et al. Analysis of the Effect of Hygrothermal Stress on the Aging Behavior of a Certain Type of Fuze[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 47-55.

責(zé)任編輯：劉世忠