引信安全与解除隔离装置的仿真模型构建

张世伟,李 波,王亚斌,李世中

(1.中北大学机电工程学院,山西 太原 030051;2.北京理工大学机电学院,北京 100081)

0 引言

安全系统作为引信不可或缺的一部分,它在引信生产、勤务处理、装填、发射直至延期解除保险的各种环境中起着至关重要的作用,是引信满足安全性的重要保障[1-3]。安全性和可靠性是引信完成作战任务的根本保证,是引信设计必须要满足的条件。在弹射试验过程中,会出现引信瞎火现象,经研究发现此现象主要是由引信安全与解除隔离装置中的部件力学失效引起的。

针对引信安全系统,文献[4]用ADAMS软件对安全系统结构的动力学方程进行仿真分析,得到引信安全与解除隔离装置回转体部件在弹道环境下的运动规律;文献[5]通过离心试验分析安全与解除隔离装置中闭锁销离心时的状态,找出导致安全系统未完全解脱保险的主要原因;文献[6]通过对安全系统解除保险过程进行仿真分析,得出了安全系统从安全状态到待发状态过渡过程中系统的安全程度和解除保险程度的变化规律。

弹丸在膛内的运动过程中承受着复杂的环境力,引信安全系统也处在一个复杂的力学环境中,故引信在设计之初,其安全机构各个部件必须经过严格的强度校核。在安全系统中安全与解除隔离装置主要起隔爆作用,其力学失效将会导致引信出现瞎火现象。本文通过模拟弹丸的膛内运动,分析引信安全与解除隔离装置在此过程中的力学特性,对安全与解除隔离装置部件的力学失效给出解释。

1 原理分析

1.1 安全系统工作原理

安全系统工作原理如图1所示。

图1 安全系统工作原理Fig.1 Working principle of security system

安全系统工作原理:引信在生产、勤务处理、装填过程中,安全系统中的回转体部件通过两个离心爪和后坐销簧作用的后坐销,被固定于隔离位置;当弹丸发射时,在后坐力的作用下,后坐销压缩后坐销簧往下移动,回转体的一个约束被释放;当弹丸出炮口后,两个离心爪在离心力作用下克服离心爪簧抗力到飞开,从而回转体部件的另一个约束也就得到了释放,偏心的回转体部件在离心力作用下带动齿轮系统工作;达到安全距离后,其回转体部件能转正到位,由闭锁销锁定,引信处于待发状态[5]。安全与解除隔离装置模型如图2所示。

图2 安全与解除隔离装置模型Fig.2 S&A device model

1.2 建模原则

进行显式仿真分析的第一步是要对炮管弹体、引信体进行建模,计算和分析是否高效、准确是由模型质量直接决定的,所以在建模过程中需要遵循如下原则:

1) 数值模型要尽可能准确地反映真实的系统结构,能简化的位置适当简化,但要确保模型不失真;

2) 仿真计算之前,模型尺寸单位、材料属性单位、时间单位等要保持统一,确保和试验基本一致;

3) 划分网格时,单元的大小选取要合适,尽可能避免过大或者过小的网格出现,网格过大可能会导致较大的误差,过小则会造成计算时间过长。若必须采用小单元网格划分,可用质量缩放来增大时间步长[7]。

弹-引系统、引信体网格模型如图3、图4所示。

图3 弹-引系统六面体网格模型Fig.3 Hexahedral grid model of missile-fuze system

图4 引信体六面体网格模型Fig.4 Hexahedral mesh model of fuze body

1.3 材料本构模型

考虑到弹体在炮管运动过程中质量侵蚀和严重变相几乎不存在,弹体、引信体材料采用塑性硬化模型。用 Cowper-Symonds 模型考虑应变率,屈服应力表达式为

(1)

弹体材料通常采用高强度钢35CrMnSiA,材料参数如表1所示。

表1 弹体主要材料参数Tab.1 Main material parameters of projectile

引信体材料通常采用铝合金材料,材料参数如表2所示。

表2 引信体材料参数Tab.2 Fuze body material parameters

1.4 膛内压力分析

弹带完全挤入膛线开始直至离开炮口的时期称为膛内时期。膛内时期合力Fpt表达式为[9]

式(3)中,Ft为火药燃气作用在膛底的力,表达式为

式(4)中,ω为火药装药质量;m为弹丸质量;φ1仅考虑弹丸旋转和摩擦两种次要功的计算系数,一般φ1≈1.02;φ为次要功系数,φ≈φ1+ω/(3m);p为膛内平均压力;pt为火药燃气膛底压力;At为药室膛底的截面面积。

式(3)中,Fzm为火药燃气作用在药室锥面上的轴向分力,表达式为

Fzm=pzm(At-A)≈(At-A)pt,

(5)

式(5)中,(At-A)为药室锥面在垂直炮膛轴线方向的投影面积,A为导向部分的横截面积,pzm为整个锥面上火药燃气压力平均值。

式(3)中,Fdx为弹丸作用在膛线上的轴向分力,表达式为

2 仿真方法

Hypermesh软件是美国Altair公司的产品,它具有非常强大的前处理功能。LS-DYNA适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞及爆炸等问题。本文运用Hypermesh软件的前处理功能对模型进行了网格划分、属性赋予等工作,之后用LS-DYNA求解器进行求解计算、后处理等工作。

2.1 模型建立

建立完整的炮管-弹体-引信体三维模型,对引信安全系统的分析,根据以上建模原则,对仿真结果影响程度较小的部件以质量块配重的形式体现,对仿真结果影响较大的部件及相关结构详细建模。其中,弹轴方向与x轴方向重合。炮-弹-引系统模型如图5所示。

图5 炮-弹-引系统三维模型Fig.5 Three-dimensional model of gun-projectile-fuze system

1) 火炮身管模型

本文研究的是线膛炮引信安全系统,为了能够准确模拟出弹体在膛内的运动,需要对炮管的膛线进行详细建模。根据已知数据,火炮身管内径155 mm,48条右旋渐速-等齐混合膛线,缠距3 100 mm,膛线三维模型如图6所示。

图6 膛线三维模型Fig.6 Three-dimensional model of rifling

2) 引信模型

就引信部件而言,重点研究安全与解除隔离装置的动态特性,需要详细建模,而触发机构、延期机构以及延期机构压螺等,只需保留其外形轮廓,保证质心位置的准确,以配重质量块的形式体现在模型中。引信部件模型如图7所示。

图7 引信部件模型Fig.7 Fuze component model

3) 弹体模型

弹体模型只对弹带部分进行详细建模,内部以质量配重的形式建模。

4) 膛压曲线模型

由试验测得的火炮膛压p与时间t的表格函数得到图8所示的膛压曲线。

图8 试验膛压曲线Fig.8 Test chamber pressure curve

图8所示膛压曲线包含了弹带挤入膛线的过程。本文研究弹丸从弹带挤入完成后至出炮口这一运动过程,需要去除弹带挤进膛线完成前的膛压数据。

根据动量定理式(7),按照时间逆序的方式,从后往前积分,直到积分值等于mvmax,找到t0时刻,即仿真初始时刻。

(7)

式(7)中,Fpt为膛压,vmax=900 m/s。得到自弹带挤入完成后的膛压曲线,如图9所示。

图9 仿真膛压曲线输入Fig.9 Input of simulated chamber pressure curve

2.2 模型验证

对试验弹体进行敲击试验,并根据弹体有限元模型对敲击试验进行仿真,如图10所示。将仿真数据与试验数据进行对比,以验证弹体有限元模型的准确性。敲击位置共三处,如图10中A、B、C三点处,使用力锤用大小不同的力进行敲击,敲击力大小由力锤连接的力传感器测出,作为仿真时的输入条件,试验时弹引间螺纹的预紧程度相同。

图10 弹体敲击试验与仿真Fig.10 Test and simulation of projectile percussion

A、B、C三点处敲击试验结果与仿真结果数据对比如图11所示。

对比仿真获得的数据与弹体敲击试验获得的数据,可以看出仿真获得的加速度曲线的波峰、波谷、脉宽与试验获得的加速度曲线的波峰、波谷、脉宽基本吻合,说明我们创建的弹体的有限元模型较为准确。

图11 敲击试验结果和仿真结果Fig.11 Knock test results and simulation results

2.3 边界条件设置

对炮-弹-引模型设置边界条件,对火炮身管x、y、z三方向的自由度添加约束,使火炮身管的空间位置保持固定,弹体底面添加膛压曲线(pressure),如图12所示。

图12 炮膛约束及添加膛压Fig.12 Gun bore restraintand added bore pressure

3 仿真结果分析

通过ANSYS中LS-DYNA求解器对炮-弹-引系统进行仿真计算,提取弹体、引信体和安全与解除隔离装置三个部件沿x,y,z三个方向的加速度过载信号,通过数据处理,绘出幅值包络线,如图13所示。

图13 弹体、引信体和安全与解除隔离装置三方向加速度包络曲线Fig.13 Acceleration curves of projectile, fuze and isolation mechanism in three directions

根据图13结果分析可知,在x方向(轴向)上,引信体和安全与解除隔离装置的过载变化略滞后于弹体,过载由弹体传递给引信体,再传递至安全与解除隔离装置的过程中,过载幅值逐级递减,过载曲线与膛压曲线的变化规律相似;在y、z方向(径向)上,弹体、引信体和安全与解除隔离装置的过载幅值基本一致,过载由弹体传递给引信体时,存在放大现象,由引信体传递给安全与解除隔离装置时,过载进一步放大,安全与解除隔离装置承受着最大幅值的径向过载,这可能超过了安全与解除隔离装置部件所能承受的过载极限。

过载在传递过程中被放大,针对这一现象,进行多次仿真,结果表明,通过修改材料属性和网格质量也只是改变了过载信号的幅值,过载放大现象依旧存在。

对安全与解除隔离装置上下夹板和摆轴进行了单独分析,其各部件应力云图如图14—图16所示。

通过上下夹板和摆轴应力云图可以看出:上夹板最大应力出现于摆轴位置;摆轴最大应力位于摆轴与摆子相交位置;下夹板最大应力出现在回转体轴的位置;回转体轴最大应力位于回转体轴与夹板连接位置;摆轴、回转体轴、第一过渡轮轴、第二过渡轮轴的安装孔应力相对较大,为强度薄弱点,更容易发生破坏。

图14 上夹板受力云图Fig.14 Stress cloud picture of upper splint

图15 下夹板受力云图Fig.15 Stress nephogram of lower splint

图16 摆轴应力云图Fig.16 Stress nephogram of pendulum axis

膛压曲线数据由某机械触发引信发射平台测得,在该发射平台下进行若干发弹射试验,试验结果中有2发安全系统摆体断裂,3发安全系统摆体有明显裂纹,所有的安全系统的第二、三夹板回转体轴均出现明显变形,这与仿真过程中出现的安全与解除隔离装置应力集中部位是一致的,且容易分析出发生失效的原因是安全与解除隔离装置部件的强度不足。而引信安全系统在设计之初经过严格的强度校核,理论计算是满足强度要求的,但仿真结果和试验结果依旧表明是强度失效,说明过载在炮-弹-引逐级传递过程中,由于某些原因逐步放大,超出了安全与解除隔离装置所能承受的过载极限,导致安全与解除隔离装置发生破坏。

过载在炮-弹-引逐级传递过程中逐步放大,需要对弹-引系统做进一步系统分析,找出过载放大造成的原因,重新分析安全与解除隔离装置各零部件所能承受的最大应力及塑性变形,给出零部件动载荷下的安全系数。

4 结论

本文通过构建引信安全与解除隔离装置模型,对中大口径炮弹机械触发引信通用安全与解除隔离装置进行了分析,仿真结果证明了本文构建的仿真模型的可靠性,并得出以下结论:弹体在膛内运动过程中的轴向过载与输入的膛压曲线的规律是一致的,径向过载在各个方向上基本一致;引信安全与解除隔离装置承受最高数值径向过载,过载在炮-弹-引模型的逐级传递过程中不断放大,超出了安保机构所能承受的过载极限,导致安保机构出现故障。

过载在炮-弹-引逐级传递过程中不断放大,为引信失效机理的分析提供了思路,至于造成这种放大现象的原因,还需进一步研究探索。