王逸飛,李世中,婁文忠,楊庭琪,何 博,馮恒振

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

0 引言

小口徑炮彈引信是小口徑炮彈實(shí)現(xiàn)安全控制和高效毀傷的核心,但相比于中大口徑炮彈引信,其尺寸更小且供彈及發(fā)射環(huán)境更加惡劣[1]。目前小口徑炮彈機(jī)械引信的裝備量巨大,其安全性及可靠性提升需求迫切[2-4]。

為研究小口徑炮彈引信系統(tǒng)全彈道的響應(yīng)特性,楊宏亮、黃博等[5-6]對小口徑炮彈機(jī)械引信進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性研究;張世偉等[7]構(gòu)建了引信安全與解除隔離裝置的仿真模型并對其在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的失效現(xiàn)象做出解釋;婁文忠等[8-9]開展了小口徑炮彈引信大著角碰靶發(fā)火機(jī)構(gòu)響應(yīng)特性研究,邢宇飛等[10]開展了彈丸離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的內(nèi)彈道過程動(dòng)力學(xué)仿真研究。

從已有文獻(xiàn)來看,小口徑炮彈引信在供彈及內(nèi)彈道發(fā)射過程中安全性研究較少。小口徑炮彈引信在高射速環(huán)境中會受到橫向高速運(yùn)動(dòng)帶來的橫向高過載,隨后在其膛內(nèi)發(fā)射過程中,更會受到最高達(dá)100 000g的軸向過載以及高達(dá) 90 000 r/min的高轉(zhuǎn)速影響,供彈過程與膛內(nèi)發(fā)射過程中惡劣的動(dòng)態(tài)載荷可能會導(dǎo)致其引信結(jié)構(gòu)損壞或意外起爆,大大降低了引信安全性能并且對作戰(zhàn)人員和設(shè)備的安全造成威脅。

針對以上問題,建立了小口徑炮彈引信模型,對小口徑炮彈引信在供彈過程及內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)過程中的性能開展仿真研究,分析引信核心功能模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性,為提高小口徑炮彈引信安全性與可靠性綜合性能提供支撐。

1 小口徑炮彈及引信模型的建立

1.1 小口徑炮彈引信結(jié)構(gòu)及作用原理

本文中研究的小口徑炮彈機(jī)械觸發(fā)引信由著發(fā)裝置、離心自炸裝置、安全系統(tǒng)、傳爆序列等組成,具有冗余保險(xiǎn)、遠(yuǎn)距離解險(xiǎn)、防雨、觸發(fā)及大著角發(fā)火、短延期、自毀等功能。

引信結(jié)構(gòu)如圖1所示。平時(shí),回轉(zhuǎn)體作為隔爆機(jī)構(gòu)相對于引信軸向偏移成一定的角度,被后座延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的離心保險(xiǎn)銷鎖定在隔爆位置。此時(shí)在處于壓縮狀態(tài)的自炸簧的推動(dòng)下,擊針抵在回轉(zhuǎn)體上,擊針頭部伸入回轉(zhuǎn)體內(nèi),阻止擊針產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),確保勤務(wù)處理時(shí)引信機(jī)構(gòu)的安全性。

發(fā)射時(shí),受后坐力影響,側(cè)發(fā)火機(jī)構(gòu)的針刺火帽向下運(yùn)動(dòng),戳擊側(cè)擊針發(fā)火,點(diǎn)燃保險(xiǎn)塞中的延期藥柱。出炮口前,在離心力作用下,離心銷克服離心保險(xiǎn)簧限制向外移動(dòng),解除對回轉(zhuǎn)體的保險(xiǎn)。由于保險(xiǎn)鋼球仍然受延期藥柱的制約,回轉(zhuǎn)體仍然不能轉(zhuǎn)動(dòng),從而保證膛內(nèi)安全。

圖1 引信系統(tǒng)圖

出炮口后,后坐力消失,自毀鋼球受離心力作用沿支持環(huán)的錐面進(jìn)一步向上壓縮自炸簧,將擊針抬起。炮彈飛離炮口一定距離后,延期藥柱燃盡釋放保險(xiǎn)鋼球,進(jìn)而解除對回轉(zhuǎn)體的限制,回轉(zhuǎn)體在回轉(zhuǎn)力矩作用下轉(zhuǎn)至平衡位置,使爆炸序列對正。此時(shí),引信處于待發(fā)狀態(tài)。

在彈頭與靶面相交時(shí),引信體與靶面相交,使起爆裝置發(fā)生變形,擊針受到慣性沖力與自爆彈簧彈力的共同作用,克服自毀鋼球的離心力、軸向分力迅速向下運(yùn)動(dòng),戳擊針刺延期雷管發(fā)火,引爆傳爆管,進(jìn)而起爆主要裝藥,對目標(biāo)進(jìn)行打擊。

當(dāng)彈丸未命中目標(biāo)而飛行至有效作戰(zhàn)距離以外時(shí),由于彈體旋轉(zhuǎn)速度降低,自毀鋼球沿著支撐環(huán)的錐面向下移動(dòng),解除對擊針的限制,此時(shí)自毀鋼球的離心力不足以支撐自炸彈的受力,擊針向下運(yùn)動(dòng)戳擊雷管,實(shí)現(xiàn)引信自毀。

1.2 小口徑炮彈引信CAE模型

本文中有限元網(wǎng)格劃分使用Hypermesh軟件。HyperMesh是由美國Altair公司開發(fā)的一款有限元網(wǎng)格生成軟件,是工程設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域中常用的工具之一。HyperMesh的優(yōu)點(diǎn)包括易用性、高效性、精確性、可擴(kuò)展性等。

根據(jù)小口徑炮彈引信系統(tǒng)的二維模型,重新構(gòu)建功能構(gòu)件的三維CAD模型,使用HyperMesh可視化網(wǎng)格劃分軟件,依照GB/T 33582—2017《機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》要求建立小口徑炮彈整體系統(tǒng)化有限元模型[11],如圖2所示,在建立的過程中忽略子系統(tǒng)的細(xì)節(jié)特征。引信的有限元模型如圖3所示。

圖2 小口徑炮彈有限元模型

1.3 材料模型與狀態(tài)方程參數(shù)

引信體的材料選取為2A12鋁合金,保險(xiǎn)環(huán)、保險(xiǎn)銷、導(dǎo)柱、離心球、支持環(huán)、轉(zhuǎn)子的材料取為45#鋼,閉鎖體、擊針、導(dǎo)套、轉(zhuǎn)座材料取為7A04鋁合金,它們的材料模型都是MAT_JOHNSON_COOK,狀態(tài)方程為EOS_GRUNEISEN。

MAT_JOHNSON_COOK(簡稱J-C模型)是一種廣泛應(yīng)用于金屬材料的本構(gòu)模型,用于描述金屬在高應(yīng)變率、高溫和壓力條件下的力學(xué)行為,其特點(diǎn)是綜合考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度對材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響,能夠較好地模擬金屬材料在沖擊、爆炸、切削等過程中的變形和破壞行為。

MAT_JOHNSON_COOK模型的本構(gòu)方程為[12]

(1)

式(1)中:σy為流動(dòng)應(yīng)變;εp為流動(dòng)等效塑性應(yīng)變;T*m為無量綱溫度;Tm為熔點(diǎn);Tr為室溫;A、B、C、η為材料參數(shù)。

JOHNSON_COOK材料模型失效方程為

εf=[D1+D2expD3σ*]1+D4lnε*[1+DsT*m]

(2)

式(2)中:εf為失效應(yīng)變;σ*為平均應(yīng)力與等效應(yīng)力的比值;D1、D2、D3、D4、D5為材料參數(shù)。

(3)

式(3)中:P為材料壓力;C為VS-VP曲線截距;S1、S2、S3為VS-VP曲線斜率系數(shù);α為γ0一階修正系數(shù);γ0為GRUNESEN常數(shù);E為材料內(nèi)能。

材料的仿真參數(shù)及狀態(tài)方程如表1—表5所示。

表1 7A04鋁合金JOHNSON_COOK材料參數(shù)模型[14]

表2 7A04鋁合金EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程

表3 2A12鋁合金JOHNSON_COOK材料參數(shù)模型[15]

表4 2A12鋁合金EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程

表5 45鋼JOHNSON_COOK材料參數(shù)模型[16]

2 供彈過程引信響應(yīng)特性

2.1 供彈橫向過載仿真參數(shù)設(shè)置

高射速的小口徑炮彈的供彈方式主要有彈鏈供彈方式、撥彈輪供彈方式2種[17-19]。其中彈鏈供彈方式是一種利用彈鏈將炮彈逐個(gè)送入膛室的供彈方法,在此過程中,炮彈會受到彈鏈的拉力和慣性作用,引信在這個(gè)過程中會受到橫向和縱向的沖擊;撥彈輪供彈方式是一種利用旋轉(zhuǎn)撥彈輪將炮彈送入膛室的供彈方法,在此過程中,炮彈會受到撥彈輪的推力和離心力作用,產(chǎn)生橫向沖擊。2種供彈方式產(chǎn)生的橫向沖擊下可能會導(dǎo)致引信的安全性和可靠性降低。為了分析引信在以上2種供彈過程中的響應(yīng)情況,需要對小口徑炮彈引信在供彈過程中進(jìn)行橫向過載仿真。

安全系統(tǒng)中的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與從仿真模型庫中按照裝配關(guān)系組裝的有限元模型如圖4所示。

圖4 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

小口徑炮彈引信的橫向高過載主要來自于高射速對應(yīng)的供彈過程,引信隨炮彈固定于彈鏈,在供彈過程橫向高速運(yùn)動(dòng),到位后橫向撞停后直接擊發(fā)或推入膛內(nèi)擊發(fā)。在射速約為1 000發(fā)/min的情況下,可將其近似約1 m/s的橫向撞停沖擊,由于更小的口徑具有更高的射速,所以在橫向高過載性能研究中,再引入了3、5、7 m/s的橫向撞停速度來模擬更加惡劣的橫向沖擊工況;由于橫向沖擊方向的隨機(jī)性,本文研究了正交的2個(gè)0°和90° 2個(gè)方向。如圖5所示。

圖5 加載模型及加載方向

將小口徑炮彈輸彈過程簡化為簡單的直線運(yùn)動(dòng),進(jìn)而等效為軸向撞擊運(yùn)動(dòng),不同發(fā)射速度對應(yīng)不同的軸向撞擊速度,通過有限元仿真對不同工況進(jìn)行計(jì)算來觀察引信中隔爆機(jī)構(gòu)的響應(yīng)情況。

2.2 供彈橫向過載仿真計(jì)算

提取模引信等效應(yīng)力云圖如圖6所示。橫向沖擊速度分別為1、3、5、7 m/s,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為70、193、211.6、230 MPa,都小于材料的屈服極限,即在供彈的橫向高過載環(huán)境下,引信的材料強(qiáng)度均在安全范圍內(nèi)。

將仿真得到的速度加載到安全系統(tǒng)的轉(zhuǎn)座上進(jìn)行仿真,觀測保險(xiǎn)銷與轉(zhuǎn)子的相對位移是否超過保險(xiǎn)銷前端的距離,其距離為0.5 mm。得到仿真結(jié)果如圖7所示。

分析以上結(jié)果得出:在供彈高橫向過載環(huán)境下,隨著供彈速度的提升,可能產(chǎn)生保險(xiǎn)銷解除對轉(zhuǎn)子限制的安全性問題,即橫向過載環(huán)境下,橫向沖擊主要影響保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)件。引信在射速約為1 000發(fā)/min時(shí),即1 m/s的橫向沖擊環(huán)境下,其安全性能夠得到保證,但相同的保險(xiǎn)銷-保險(xiǎn)環(huán)機(jī)構(gòu)無法適用5 m/s以上的供彈過程。

進(jìn)了房間，思雨便一頭撲到床上，再也沒了動(dòng)靜。小林經(jīng)理也覺得應(yīng)該讓他安靜地休息一下會好些。小林經(jīng)理將房間門反鎖好就又去忙去了。

圖6 引信的的等效應(yīng)力云圖

3 內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)過程中引信響應(yīng)分析

3.1 內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

小口徑炮彈膛內(nèi)發(fā)射過程主要受到軸向大過載(最高達(dá)100 000g)以及高轉(zhuǎn)速(最高達(dá)90 000 r/min)的持續(xù)影響,其中膛內(nèi)發(fā)射過程環(huán)境最惡劣。傳統(tǒng)炮彈引信設(shè)計(jì)通過經(jīng)典內(nèi)彈道方程以及兩相流體數(shù)學(xué)物理模型獲取膛內(nèi)環(huán)境模型,此方法得到的傳統(tǒng)內(nèi)彈道模型具有較好的計(jì)算精度和較好的工程實(shí)用價(jià)值;在此基礎(chǔ)上,提出了以下幾個(gè)基本假定:

1) 炸藥的燃燒遵循著幾何學(xué)的燃燒規(guī)律。

2) 藥粒都是在均勻的氣壓下進(jìn)行燃燒的,并且符合燃燒速率規(guī)律。

3) 內(nèi)腔表面熱散失用減小火藥力f或增加比熱比k的方法間接修正。

4) 用系數(shù)φ來考慮其他的次要功。

5) 彈帶擠進(jìn)膛線是瞬時(shí)完成,以一定的擠進(jìn)壓力P0標(biāo)志彈丸的啟動(dòng)條件。

6) 火藥燃?xì)鉅顟B(tài)方程服從諾貝爾-阿貝爾方程。

7) 單位質(zhì)量火藥燃燒所釋放出的能量及生成的燃?xì)獾娜紵郎囟染鶠槎ㄖ?在以后膨脹做功過程中,燃?xì)饨M分變化不予計(jì)及,因此雖然燃?xì)鉁囟纫蚺蛎浂陆?但火藥力f、余容α及比熱比k等均視為常數(shù)。

8) 彈丸擠進(jìn)膛線后,密閉良好,不存在漏氣現(xiàn)象[20-22]。

式(4)—式(7)為經(jīng)典內(nèi)彈道模型的基本方程組:

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)—式(7)中:n為發(fā)射藥種類;Ψi為第i種火藥已燃百分?jǐn)?shù);χi、λi和μi為第i種火藥的藥型參數(shù);Zi為第i種火藥的相對已燃厚度;μ1i為第i種火藥的燃速系數(shù);ni為第i種火藥的燃速指數(shù);p為火炮膛內(nèi)壓力;φ′為次要功系數(shù),m為彈丸質(zhì)量;v為彈丸速度;S為火炮身管橫截面積;l為彈丸行程長度;fi為第i種火藥的火藥力;ωi為第i種火藥的藥量。

根據(jù)內(nèi)彈道數(shù)學(xué)公式搭建Simulink模型如圖8所示。

本文中研究的35 mm小口徑炮彈的裝藥參數(shù),裝填、構(gòu)造參數(shù)如表6、表7所示。

仿真步長設(shè)置為0.1 ms,時(shí)間為4.5 ms;積分初始條件Z01=0.04;積分終止條件為l0≥2.93×103mm。

內(nèi)彈道的基礎(chǔ)方程是一種常微分方程和一種代數(shù)方程的結(jié)合體,其解一般都是通過四階龍格庫塔法來實(shí)現(xiàn)求解。

圖8 內(nèi)彈道仿真模型

表6 裝填、構(gòu)造及計(jì)算條件參數(shù)

表7 裝藥條件參數(shù)

3.2 內(nèi)彈道諸元解算仿真結(jié)果

運(yùn)行Simulink得到正常裝藥下的炮彈的速度、膛壓、轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

以上就是通過內(nèi)彈道Simulink模型計(jì)算出的在正常裝藥情況下的3種諸元結(jié)算結(jié)果,為之后膛內(nèi)仿真計(jì)算和外彈道提供初始的仿真數(shù)據(jù)。

3.3 內(nèi)彈道有限元仿真

將膛內(nèi)高過載環(huán)境加載至模塊化整彈,由于更小的口徑具有更高惡劣的膛內(nèi)環(huán)境,所以在軸向高過載性能研究中,引入最大膛壓450 MPa以模擬更加惡劣的軸向沖擊工況,以及300 MPa的弱裝藥對比工況。圖10為引信的等效應(yīng)力云圖,觀察300、380、450 MPa對應(yīng)的應(yīng)力云圖均可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中于緩沖體結(jié)構(gòu),此處結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu),厚度約為0.3 mm,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為736、770、822 MPa,超過了鋁合金的屈服應(yīng)力,所以在軸向高過載環(huán)境中,此處將產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,隨之發(fā)生塑性變形,其余部分最大等效應(yīng)力均沒有超過材料屈服應(yīng)力,即沒有發(fā)生塑性變形。

圖9 內(nèi)彈道諸元

圖10 模塊化整彈引信等效應(yīng)力云圖

提取安全系統(tǒng)模塊實(shí)際動(dòng)力學(xué)響應(yīng),輸入安全系統(tǒng)精細(xì)化仿真模型,發(fā)現(xiàn)安全系統(tǒng)發(fā)生的應(yīng)變集中于轉(zhuǎn)座,原因?yàn)檗D(zhuǎn)座與轉(zhuǎn)子軸向接觸面積較小,并且轉(zhuǎn)座為鋁合金,轉(zhuǎn)座的應(yīng)變云圖如圖11所示?？捎^察到隨著膛壓的增加,等效應(yīng)變面積逐漸增大,但安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)無較大振動(dòng)。

圖11 轉(zhuǎn)座應(yīng)變云圖

在膛內(nèi)的軸向高過載環(huán)境中,小口徑炮彈引信外殼及安全系統(tǒng)均存在強(qiáng)度不足的隱患。安全系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)座為鋁合金,最大局部等效應(yīng)力超過了鋁合金的屈服應(yīng)力,發(fā)生于與轉(zhuǎn)子軸向接觸部分,雖然轉(zhuǎn)座發(fā)生了局部應(yīng)變,但并不影響小口徑炮彈引信在軸向高過載下的安全性;在軸向高過載環(huán)境下,保險(xiǎn)銷與轉(zhuǎn)子的最大相對位移遠(yuǎn)小于安全性極限位移,即軸向高過載環(huán)境下,保險(xiǎn)銷對于轉(zhuǎn)子的有著足夠的限制,保證了小口徑炮彈引信的安全性。

4 結(jié)論

通過對小口徑炮彈引信重要安全性子系統(tǒng)-安全系統(tǒng)進(jìn)行橫向及軸向高過載性能研究,將研究結(jié)果引申到引信系統(tǒng),得出結(jié)論如下:

1) 供彈高橫向過載環(huán)境下,隨著供彈速度的提升,可能產(chǎn)生保險(xiǎn)銷解除對轉(zhuǎn)子限制的安全性問題,即橫向過載環(huán)境下,橫向沖擊主要影響保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)件。對于35 mm小口徑炮彈引信,其射速約為1 000發(fā)/min,橫向沖擊為1 m/s,此時(shí)35 mm小口徑炮彈引信安全性能夠得到保證;如果要適應(yīng)更高射速的要求,可以在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下適當(dāng)增加保險(xiǎn)銷前端的距離。

2) 膛內(nèi)高軸向過載環(huán)境下,產(chǎn)生了構(gòu)件-構(gòu)件加速過程中局部等效應(yīng)力超過材料屈服應(yīng)力情況,主要發(fā)生于構(gòu)件-構(gòu)件接觸面積較小處。35 mm小口徑炮彈引信安全系統(tǒng)中,局部強(qiáng)度超過了鋁合金轉(zhuǎn)座的屈服應(yīng)力,即轉(zhuǎn)座局部發(fā)生應(yīng)變,但并不影響小口徑炮彈引信在軸向高過載下的安全性。