一种枪械击发点火系统可靠性分析软件的设计与实现

枪械击发点火系统是枪械击发底火引燃发射药的部组件的统称,由枪械击发机构、底火、枪弹弹壳及发射药等组成[1]。在实战过程中,由于枪械击发点火系统零部件尺寸参数、击发能量以及工作环境等不确定因素较多,枪械常会发生不发火、早发火、底火击穿等故障问题,轻则枪械受损、重则对作战人员的生命安全造成威胁[2-4]。因此,非常有必要研究枪械击发点火系统的可靠性。

为了提高枪械工作的稳定性,降低系统的故障率,众多学者针对枪械击发点火系统的可靠性进行了研究。曹金荣等[5]提出机构工作安全保险概念,并应用AUTOCAD软件进行计算机模拟,分析了81枪族击发机工作可靠性。李定哲等[6]使用FMECA方法对自动武器发射机构进行了危害度分析,得出导致发射机构出现击发故障的主要原因是机构零件位置错误,并通过改进扳机或者改进保险的方式解决超越保险异常击发的问题,使得发射机构的任务可靠性得到提升。张相炎等[7]利用结构拓扑形状的Boolean运算,实现复杂结构件的局部参数化仿真,分析了击发过程中击针突出量、弹簧力对击发可靠性的影响,完成了击发机构的参数匹配设计,提高了转管自动炮击发机构的击发可靠性。曹炜[8]利用Monte-Carlo模拟法分析了某步枪闭锁机构的6个参数对闭锁故障的影响;同时建立了拉壳钩强度代理模型,并验证了该神经网络代理模型的准确性。胡冶昌等[9]利用abaqus对复进簧进行有限元仿真,应用蒙特卡洛算法进行弹簧强度可靠性设计,在循环仿真下完成可靠度分析研究得到影响复进簧强度的最大因素,较好地达到可靠性设计目的从而提高复进簧的可靠性。林炳宏等[10]针对一种异形击发弹簧,分别采用理论计算和有限元仿真2种方法对其垂向刚度及应力进行研究,得到垂向刚度和应力均满足可靠性要求的异形击发弹簧。

随着计算机技术的发展,在可靠性理论的基础上,引入计算机作为辅助工具可以更高效地求解工程实际问题。赵廷弟等[11]以可靠性分析设计为主线,以数据库技术为核心,开发了CARDASP (计算机辅助可靠性分析系统)软件平台,可以进行故障仿真、应力计算、可靠性预计与分配等可靠性分析工作。苏多等[12]讨论了面向模型数据管理的可靠性CAD/CAE软件工具与PDM技术综合集成的实现思路和体系结构,实现了机械产品协同设计和分析过程的统一,完成了工具集成和数据集成缩短产品设计研制周期,为提高产品的性能和可靠性打下基础。刘朋等[13]针对可靠性分析过程联合开发了O形密封圈可靠性分析软件,可以大大简化密封圈的可靠性分析工作,具有一定的工程意义。袁晓霞等[14]提出了基于GO法的复杂火工系统可靠性预计方法,开发火工系统可靠性建模以及预计的软件,提高可靠性预计的计算效率,同时也为后续的G0图分析计算提供了技术支持。

上述研究,主要针对提高枪械击发点火系统的可靠性的研究以及计算机辅助系统在可靠性分析上的应用,然而关于枪械击发点火系统可靠性分析软件设计的研究较少。

本文中基于对枪械击发点火可靠性分析及优化的研究,设计开发枪械击发点火性能多学科联合仿真、可靠性分析、多因素匹配、可靠性优化设计等功能模块,构建枪械击发点火数据库,集成开发形成枪械击发点火可靠性分析软件,实现击发点火系统的参数仿真、可靠性分析及优化设计工作一体化,通过各模块之间的集成,以及各模块数据的自动流转,为设计人员完成枪械击发点火可靠性分析提供帮助。

1 枪械击发点火系统可靠性分析及优化

1.1 枪械击发点火多学科协同仿真模型

利用TrueGrid、LS-DYNA、LS-PREPOST协同下建立了枪械击发-点火性能分析模型并进行仿真分析,通过模拟击针撞击底火、击发药爆炸(燃烧)、底火爆炸(燃烧)产物通过传火孔进入弹壳空腔的过程,获取给定撞击条件下底火药击发引爆(燃烧)后传播到弹壳中的火焰气体压力及温度变化规律。枪械击发点火系统的简化有限元模型,由落锤、击针、枪机、弹壳、底火壳、击发药、盖片和空气域组成,如图1所示。

1.2 基于Monte Carlo模拟法的枪械击发点火系统可靠性分析模型

Monte Carlo模拟法是一类在结构可靠度分析中常用的方法,又称随机抽样法、概率模拟法或统计试验法。Monte Carlo模拟法通过对随机变量进行很多次随机概率抽样,将每组抽样值代入结构功能函数g(X)得到大量功能函数值,校核结构是否安全,最后统计故障事件的发生次数,则可计算出结构可靠度或结构失效概率。

假设已获取所有随机变量的N组随机样本(即对随机变量进行随机抽样),将这N组样本依次代入式(1)可计算出N个功能函数值。若N个功能函数值中小于0的个数为Nf,则该结构的失效概率估计值为

式(1)中:N通常按100/Pf经验取值。

基于应力-强度干涉模型,采用Monte Carlo模拟法建立击发点火系统可靠性分析模型如图2所示。

1) 预先估计可靠度的大致数量级,并确定抽样数量N;

2) 利用描述抽样法产生所有随机变量的N组随机样本;

3) 将N组随机样本代入击发点火性能仿真代理模型得到N个功能函数值(压力启动时间);

4) 利用应力-强度干涉模型,将运行击发点火性能仿真代理模型分析得出的压力启动时间作为广义的应力,通过开展击发点火系统可靠性试验确定正常击发点火作用的压力启动时间范围,即广义的强度,统计应力小于强度的样本点;

5) 根据R=m/N计算可靠度。

1.3 可靠性优化模型

以击针头部直径(IHD)、击针突出量(LO)、火台头部直径(AHD)、底火壳厚度(PST)、闭锁间隙(LG)等随机变量的均值和标准差为设计变量,各变量公差范围为约束条件,定义击发点火可靠度为目标函数,建立击发点火可靠性优化模型,优化求解得到一组最优的设计变量。击发点火可靠性优化模型为

(IHD,LO,AHD,PST,LG)T

s.t. x1 min≤IHD≤x1 min

x2 min≤LO≤x2 min

x3 min≤AHD≤x3 min

x4 min≤PST≤x4 min

枪械击发点火可靠性分析设计软件交互较多,数据量大,为减少枪械击发点火系统可靠性分析工作的复杂性,缩短分析时间,本研究中将各功能模块及数据库集成开发,形成统一的枪械击发点火可靠性分析软件。

1.4 枪械击发点火可靠性分析及优化流程

枪械击发点火过程受到尺寸偏差、机构运动偏差多种不确定因素影响分析各主要影响因素,在枪械击发点火数据库的支持下由TrueGrid、LS-DYNA、LS-PREPOST 3个软件联合仿真完成枪械击发点火系统性能,在枪械击发点火性能分析模型的基础上,进一步建立了响应面模型,采用试验设计方法对各影响因素进行采样与分析,得出各因素对击发点火性能影响灵敏度。采用Monte Carlo模拟法调用多学科仿真模型或响应面代理模型对各种随机因素影响下的击发点火可靠性进行分析,并采用拉丁超立方等试验设计方法开展任意2种及3种影响因素大量匹配工况下的击发点火可靠性分析,形成面向击发点火可靠性的多因素匹配方法,通过定义设计变量、约束条件、目标函数,建立击发点火可靠性优化设计模型并选择合适的优化方法,完成优化求解。枪械击发点火可靠性分析及优化流程如图3所示。

2 枪械击发点火系统可靠性分析软件设计与开发

在枪械击发点火多学科仿真模型、枪械击发点火可靠性分析模型及优化模型等技术研究的基础上,研究开发枪械击发点火性能多学科仿真、枪械击发点火性能影响因素影响灵敏度分析、枪械击发点火性能可靠性分析、面向击发点火可靠性的多因素匹配设计等功能模块,研究构建枪械击发点火可靠性分析设计数据库,将各功能模块及数据库集成开发,形成统一的枪械击发点火可靠性分析软件。

2.1 软件总体架构与功能设计

枪械击发点火可靠性分析软件以击发点火可靠性分析与设计理论为基础,利用当前有限元仿真分析软件为工具,将设计数据、实验数据、击发点火性能分析模型、可靠性分析模型以及优化设计结合在一起,基于框架软件通过二次开发对仿真的数据输入、迭代过程进行控制,得到高置信度的仿真结果及优化设计结果。枪械击发点火可靠性分析设计软件架构可分为算法层、平台层及应用层,如图4所示。

算法层为软件提供底层内核算法,包含了软件所用到的所有算法,包括不确定性参数定量化算法、样本生成算法、灵敏度分析算法、不确定性传播分析算法、代理模型算法、可靠性算法、优化算法等。平台层枪械击发点火系统可靠性分析设计软件的界面呈现、应用运行与集成环境。软件以功能模块化、流程向导化为核心,采用可视化图形交互界面,提供直观友好操作风格、工作流搭建、计算运行以及结果可视化功能。应用层提供软件的各个功能模块,包括求解器集成、联合仿真、灵敏度分析、可靠性分析、可靠性优化设计、数据管理等,各个功能模块进行组合可完成各类分析与设计[15]。

软件基于“参数定义、模型分析、优化设计”这一主流分析设计模式,串联起以求解器族所凝聚的确定性分析平台,通过在参数定义入口泛化,连接分析、优化计算执行体,可将确定性分析过程配置形成可靠性分析过程,并确保数据流通、工具打通、知识复用,平台可分为可视化(前端)层、可靠性引擎层,任务流层、求解器层、共享数据层、开放链接层,平台架构示意如图5所示。

枪械击发点火可靠性设计分析软件包括多学科联合仿真、参数灵敏度分析、可靠性分析、可靠性设计、优化设计等功能模块,软件功能结构如图6所示。

2.2 软件功能实现

2.2.1 软件集成框架

枪械击发点火系统可靠性分析优化流程涉及不同的商业软件,需要构建统一的工作环境,完成不同工具间的数据协同,以满足当前分析设计过程中的应用需求。按照“开发规范化、操作工具化、应用组件化、运维集中化”的设计原则构建枪械击发点火系统可靠性分析平台集成框架通过对仿真工具集成,为设计仿真的相关人员提供一个集设计、仿真、数据管理一体化的工作台面。将设计仿真工具及专业算法,都封装在工作台面中,提供一个统一的工作环境。从而实现集成各类软件工具,打通各类工具接口,实现模型间的数据流传递;建立统一的集成环境,实现枪械击发点火系统可靠性分析过程中的数据协同和迭代设计。

枪械击发点火可靠性分析集成框架主要包括枪械击发点火仿真组件、可靠性分析及优化组件、数据库模块,如图7所示。

2.2.2 枪械击发点火性能多学科联合仿真模块

通过研究参数化仿真技术,可根据参数化要求自动修改仿真模型参数,方便快速地实现枪械击发点火性能的自动仿真,减少重复建模的工作量。枪械击发点火系统性能分析模型参数化仿真的实现需要使用软件中的Simcode 组件,首先解析Tg文件(网格模型文件)、JF-DH.k(LS-DYNA 控制文件)文件中随机参数,然后执行批处理文件,调用 TrueGrid 创建网格模型、LS-DYNA 数值模拟计算、LS-PREPOST 进行后处理,最后输出文件yali.txt,完成一次完整的击发点火性能仿真。流程如图8所示。

2.2.3 可靠性分析模块

1) 枪械击发点火性能影响参数影响灵敏度分析

根据击发点火系统故障影响因素分析并结合有限元仿真参数化模型,分别针对击针头部直径、火台头部直径、闭锁间隙、底火装入深度、底火壳厚度、击针突出量、击针撞击能量(落锤高度)等单一影响参数,对目标函数压力启动时间开展灵敏度分析。在减少计算成本,并保证试验点分布更加均匀的情况下,选用最优拉丁超立方试验设计,通过软件中的 Simcode 组件循环调用有限元仿真模型的参数化模板,得到试验设计样本点空间、压力启动时间的DOE试验设计样本点矩阵,通过Pareto图反映各影响因素对击发点火性能的影响程度。

2) 枪械击发点火系统可靠性分析

在General的中选择所需的抽样方法,并定义抽样数量设置样本容量,即可生成随机参数的样本点如图9所示,输入随机变量的概率分布模型,产生多组随机工况如图10所示,通过循环调用多学科协同仿真模型或者响应面近似模型,采用Monte Carlo模拟法(MCS)等可靠度算法根据击发点火性能可靠性判据定义响应值的边界条件对多学科模型中的输出变量(即功能函数)进行概率分析,获得相应的击发点火性能表征参数的概率分布模型以及可靠度等。

2.2.4 多因素匹配模块

枪械击发点火可靠性是一个涉及枪、弹不同领域机构运动学、动力学、撞击动力学、力/热/化学耦合作用下击发药热点点火等多机理耦合多因素多参数匹配问题。在枪械击发点火系统故障模式影响等研究基础上,确定了影响击发点火可靠性的关键因素和相关参数,开展击发点火性能可靠性影响因素影响灵敏度分析,确定各影响因素对击发点火性能影响的重要程度以及交互效应等;针对影响程度较大且具有交互效应的两因素、三因素,形成面向击发点火可靠性的两因素、三因素匹配方法。借助多学科优化设计平台,选择合适的优化方法,实现击发点火多个影响因素的匹配与优化。

针对影响因素,分别控制各因素的均值和标准差,采用最优拉丁超立方试验设计方法生成样本矩阵,循环调用枪械击发点火可靠性分析,生成Pareto图进行灵敏度分析。各影响因素对击发点火可靠性的影响程度研究基础上,确定对击发点火可靠性的影响最为显著的3个影响因素,采用试验设计法,通过开展其中任意两因素多种组合下以及三因素大量组合工况下击发点火可靠性分析,揭示提高击发点火可靠性的两因素及三因素匹配规律。

2.2.5 可靠性优化模块

本模块在面向击发点火可靠性的多因素匹配研究基础上,应用优化设计方法,以击针头部直径、击针突出量、火台头部直径、底火壳厚度、闭锁间隙等随机变量的均值和标准差为设计变量,以各变量公差范围为约束条件,通过定义目标函数、设计变量、约束条件建立击发点火可靠性优化模型;利用软件平台定制优化设计流程,选择优化策略、优化算法,设置变量初值等,求解一组设计变量,使给定击发条件下的点火可靠度达到最优。在优化设计组件General中选择所需的优化设计方法,勾选随机参数并设置其上下限范围,勾选目标参数,选择目标为最大或者最小,在弹出的结果窗口中查看优化结果。优化算法选择如图11,优化分析如图12所示。

2.2.6 击发点火数据库

枪械击发点火数据库设计为包括枪械击发点火典型故障案例库、枪械击发点火典型故障数据库在内的11个数据库。通过可靠性数据库的开发可以实现可靠性分析过程中的过程数据、结果数据的统一有效管理,并实现数据在各功能模块之间的自动传递。本研究中选用关系型数据库软件MySQL数据库来存储数据。用户可利用数据库管理系统在数据库中查询、添加、修改、删除数据。数据库结构如图13所示。

3 软件运行实例

利用枪械击发点火可靠性分析软件以一种小口径自动步枪击发点火系统在室温25 ℃,击针撞击能量0.039 2 J条件下为分析算例,进行击发点火性能可靠性分析,并与试验进行对比以此验证软件的有效性。

在击发点火系统性能的影响因素分析的基础上,确定主要影响因素作为输入变量,确定输入变量的取值LG=0 mm、PST=0.71 mm、AHD=2.2 mm、IHD=2 mm、LO=1.2 mm、PLD=0.17 mm、DSH=0.61 mm、T=298 K,通过定制联合仿真流程,实现3个软件的模型自动传递及数据自动流转进行击发点火性能参数化仿真,仿真结果如图14所示。

通过多次调用参数化仿真模块进行计算获得输出变量的响应值,并对试验设计的试验结果进行分析,包括试验数据表格、方差分析表、Pareto图等,从而获得不同影响因素对击发点火性能的灵敏度分析。灵敏度分析结果如图15所示。

从图15中可以看出,各影响因素对枪械击发点火系统性能的影响灵敏度大小为:底火装入深度>底火壳厚度>闭锁间隙>药面高度>击针长度>击针头部直径>火台头部直径>落锤高度。

应用Monte Carlo组件输入为随机变量的概率分布模型,通过选择抽样方法及其抽样数量、输入可靠性判据进行可靠性分析。输出为击发点火系统性能表征参数(压力启动时间)的概率分布直方图以及击发点火系统可靠度等可靠性分析结果。样本数据与直方图如图16所示,可靠度分析结果如图17所示。

从图17中可以看出,击发点火系统的可靠度为83.6%。

利用击发点火模拟试验装置,在室温25 ℃、击针撞击能量0.039 2 J条件下进行试验,得出击发点火可靠度为83%,验证了软件的有效性。

以提高击发点火可靠度为优化目标,建立击发点火可靠性优化模型,选用梯度优化算法中的序列二次规划算为优化算法。击发点火可靠性优化结果如图18所示。

闭锁间隙、底火壳厚度、火台头部直径、击针头部直径、击针突出量这些影响因素的尺寸在实际生产装配中呈正态分布,由击发点火可靠性优化模型求解结果可以得到各影响因素的均值,再结合这些影响因素的公差范围,求出其标准差及取值范围如表1所示。

与原设计相比,闭锁间隙、底火壳厚度、火台头部直径、击针头部直径均值及标准差有所降低,击针突出量均值有提高,标准差降低,可靠度由0.83上升至1,提高了20.48%。

4 结论

1) 设计开发的可靠性分析设计软件将各功能模块及数据库集成开发,形成统一的枪械击发点火可靠性分析设计软件,缩短了仿真时间,具有一定的工程意义。

2) 以小口径自动步枪击发点火系统为分析算例进行可靠性分析,结果表明:击发点火系统的可靠度为83.6%,与击发点火模拟试验装置得出的试验结果(83%)作对比,在预期误差之内。

3) 通过使用该软件对小口径自动步枪击发点火系统进行优化,使系统可靠度由0.83上升至1,提高了20.48%。

[1] 赵聪聪,魏志芳,郭向向,等.一种枪械击发点火系统模拟试验装置设计[J].兵工自动化,2022,41(4);10-13,18.ZHAO Congcong,WEI Zhifang,GUO Xiangxiang,et al.Design of a simulation test device for firearm firing ignition system[J].Ordnance Industry Automation,2022,41(4):10-13,18.

[2] 蒲辉.某枪械击发动力学特性的影响因素研究[D].太原:中北大学,2021.PU Hui.Study on the influencing factors of the dynamic characteristics of a firearm[D].Taiyuan:North University of China,2021.

[3] 孙文,任涛,曾威,等.板式链条链板磨损可靠性及灵敏度分析[J].机械传动,2021,45(11):128-133.SUN Wen,REN Tao,ZENG Wei,et al.Reliability and sensitivity analysis of wear of chain plate[J].Journal of Mechanical Transmission,2021,45(11):128-133.

[4] SOBOL I M.Global sensitivity indicesfor nonlinear mathematicalmodels and their Monte Carlo estimates[J].Mathematics and Computersin Simulation,2001(1/3):271-280.

[5] 曹金荣,尚利民,范文奇.81枪族击发机可靠性分析及结构改进[J].机械设计与制造,2006(8):101-103.CAO Jinrong,SHANG Limin,FAN Wenqi.81 gun striker reliability analysis and structural improvement[J].Machinery Design &Manufacture,2006(8):101-103.

[6] 李定哲,景春温,管小荣.基于FMECA的某自动步枪发射机构可靠性分析[J].装备环境工程,2022,19(6):35-43.LI Dingzhe,JING Chunwen,GUAN Xiaorong.Reliability analysis of an automatic rifle launching mechanism based on FMECA[J].Equipment Environmental Engineering,2022,19(6):35-43.

[7] 程刚,张相炎,董志强,等.转管自动机击发机构参数匹配研究[J].火炮发射与控制学报,2010(3):9-11.CHENG Gang,ZHANG Xiangyan,DONG Zhiqiang,et al.Research on parameter matching of firing mechanism of Gatling gun[J].Journal of Gun Launch &Control,2010(3):9-11.

[8] 曹炜.某自动步枪典型故障可靠性分析及研究[D].南京:南京理工大学,2018.CAO Wei.Reliability analysis and research on typical faults of an automatic rifle[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2018.

[9] 胡冶昌,王志伟.ISIGHT集成ABAQUS的复进簧冲击强度可靠性研究[C]//OSEC首届兵器工程大会论文集.中北大学机电工程学院,2017,1145-1148.HU Yechang,WANG Zhiwei.ISIGHT integrated ABAQUS to study the reliability of the impact strength of the recoil spring[C]//OSEC First Weapons Engineering Conference Proceedings.School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China,2017:1145-114.

[10] 林柄宏,黄志辉,穆云飞,等.异形击发弹簧的垂向刚度与应力研究[J].机械制造,2021,59(7):44-47.LIN Binghong,HUANG Zhihui,MU Yunfei,et al.Study on the vertical stiffness and stress of shaped firing spring[J].Machinery,2021,59(7):44-47.

[11] 常先伟.三维CAD/CAE软件环境下机械产品可靠性分析与设计[D].长沙:中南大学,2013.CHANG Xianwei.Reliability analysis and design of mechanical products in 3D CAD/CAE software environment[D].Changsha:Central South University,2013.

[12] 张帆.二阶矩可靠性指标的计算机辅助公差优化装配尺寸链设计模型[J].机械传动,2008(1):58-59,74,111.ZHANG Fan.Computer aided tolerance optimization assembly dimension chain design model for second moment reliability index[J].Journal of Mechanical Transmission,2008(1):58-59,74,111.

[13] 赵廷弟,曾声奎,康锐.计算机辅助可靠性设计分析系统研究[J].航空学报,2000(3):206-209.ZHAO Tingdi,ZENG Shengkui,KANG Rui.Computer aided reliability design analysis system[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2000(3):206-209.

[14] 苏多,张建国.PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用研究[J].航空学报,2007(S1):92-99.SU Duo,ZHANG Jianguo.Application of PDM technology in mechanical reliability design and analysis[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2007(S1):92-99.

[15] 刘朋,郑圆圆,汤宝石,等.基于ANSYS的O形密封圈可靠性分析及软件开发[J].液压气动与密封,2020,40(5):11-16.LIU Peng,ZHENG Yuanyuan,TANG Baoshi,et al.Reliability analysis and software development of O-ring based on ANSYS[J].Hydraulics Pneumatics &Seals,2020,40(5):11-16.