25 mm口径引信高过载条件下强度有限元分析

引信是一种控制装置或系统,利用目标信息和环境信息在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药。在全球范围内,小口径火炮已被广泛应用于陆海空三军及其他作战部队[1-3]。小口径火炮具有射速快、初速高、反应速度快、抗干扰能力强等优良特点,有效弥补了防空导弹杀伤近界目标能力不足的缺点,是低空和超低空防御的最有效武器[4-6]。国内外对于小口径引信的研究非常重视,俄罗斯的小口径引信主要是以“火药延迟释放安全”和“隔离装置”为主体,如ΜΓ-32。美国的小口径引信主要采用机械触发式引信,有20、30、40 mm 3种类型,其中最具代表性的是M505A3、M579、M771等。我国从前苏联引进引信的相关技术并进行了改进,其中榴-1引信曾是广泛应用于中国小口径炮弹的机械式触发引信[7]。

黄博[8]以引进瑞士某型优化改进后的小口径机械触发引信为模型,对其大着角发火、防雨性能等进行了仿真分析与实验,验证模型的合理性与安全性。郭立力等[9]研究在高过载环境中延时引信所受到的影响。刘双杰等[10]对某小口径高射炮弹-引系统进行弹塑性静力学分析,给出了弹-引系统在最大膛压作用下的应力分布状况,并讨论了危险区域。张号[11]研究微型电源激活机构的工作原理,并建立微型储备式电源激活机构的模型,对激活机构进行了理论分析并和仿真计算分析。文献[12]中分析引信离心环境的工作机理,构建2种弹丸转速衰减规律的数学模型,计算模型的运动参数,并通过仿真验证了模型的有效性。

本文中研究的小口径引信在高过载条件下的强度能否满足要求,以25 mm口径引信为研究对象,利用Solid Works软件构建引信三维模型,利用Hyper Mesh软件完成引信整体的网格划分,然后将整体网格模型导入到LS-DYNA中完成高过载环境构建并对其进行仿真求解,根据仿真结果确定引信系统的危险区域并进行分析,最后确认回转体在转速载荷作用下能否转动到位。

1 引信系统有限元模型构建

1.1 内弹道引信受力分析

引信在内弹道时受到的力主要包括离心力Fc、后坐力Fs、切线惯性力Ft等[13]。膛内运动时,内部零件所受到离心力表达式为

式(1)中:Fc为引信内部零件所受到的离心力;m为零件的质量;r为零件的旋转半径;ω为弹丸在膛内的旋转角速度。

弹丸在膛内运动时,内部零件受到后坐力表达式为

式(2)中:Fs为引信内部零件所受到的后坐力;m为零件的质量;

为弹丸在膛内的轴向加速度。

弹丸在内弹道旋转时,有些零件由于其质心偏离弹丸的旋转轴而受到相对弹丸的切线惯性力Ft,其方向沿该零部件质心处的切线方向,与载体角加速度方向相反。切线惯性力的表达式为

式(3)中:Ft为零件所受到的切线惯性力;m为零件的质量;r′为零件质心到弹丸旋转轴之间的距离,又称偏心距;

为弹丸在膛内的旋转角加速度。

1.2 工作原理

引信主要是由发火控制系统、安全系统、爆炸序列、能源装置等组成。文中使用的引信模型是通过Solid Works软件进行建模,引信结构如图1所示。

工作原理:勤务处理时,安全系统中的垂直回转体(转子)被离心轴和保险螺塞单独地、机械地锁定在底座中,使回转体合件中的针刺雷管和传爆管的轴线方向错开一定角度,从而使整个安全系统处于隔爆状态,保证了引信机构在勤务处理过程中的安全。炮弹发射时,首先由于在后坐力的作用下,延期解除保险机构中保险螺塞被点燃并开始解除保险,在炮口保险距离以外,当弹丸的转速达到一定程度时,离心保险机构(钢珠和离心轴)在离心力的作用下解除了对回转体(转子)的第一道约束,而回转装置由于偏心原因会在离心力的驱动下转正到位,此时雷管、传爆管、弹丸主装药三者对正,弹丸此时处于待发状态。当弹丸撞击目标时,引信头部的引信体由于碰击目标会发生变形,触发机构开始作用,击针在惯性碰撞力和自炸弹簧抗力的共同作用下,克服自毁钢球离心力的轴向分力,开始向下移动,戳击延期针刺雷管,雷管短延期发火起爆传爆管、弹丸主装药,实施对目标的打击。当弹丸未命中目标并飞行至作战距离以外时,弹丸转速会不断衰减,自毁钢球所产生的离心力的轴向分力不能支持自炸簧的抗力时,自毁钢球会沿着保持架的锥面向下移动,同时击针向下运动戳击雷管发火,从而实现弹丸自毁[8]。

由上可知,装有雷管的回转体(转子)平时是被两套相互独立的保险机构锁定在隔离位置,这两套相互独立的保险机构解除保险的力来自发射开始后的2种不同环境力,一种是在发射时由于弹带在内弹道膛线挤压带产生旋转运动而产生的离心力,另外一种是弹丸的内弹道膛压的作用下产生的直线后座力。

1.3 材料模型和火药状态方程

引信系统中零部件的材料采用连续、均匀、各向同性的线弹性材料,内部没有初始应力。采用经典的双线性随动强化模型(BKIN),服从VonMises屈服准则,遵循各向同性的硬化特性。引信内部零件的材料属性如表1所示。其中触发机构、衬套和上衬套使用铝合金材料,底座、压板、左侧螺钉、离心销、钢珠、压螺、转子使用钢材料。引信内部的火药和传爆药采用等效替代的方法,其材料参数如表1所示。

火药在膛内燃烧时,释放出大量气体使膛内压力急剧升高,推动弹丸向前运动;而弹丸向前运动又使得膛内容积增加,膛内压力下降[14]。火药气体状态方程为

式中: ρ0为固体火药密度,ρ0=0.340 9×103 kg/dm3;ψ为已燃百分比; f为火药力, f=5.8×105 J/kg;α为气体余容,α=1 dm3/kg;V为相对体积;Vy为药室容积,Vy=3.2×10-3 dm3;mw为装药量,mw=0.1 kg。

1.4 模型简化和网格划分

为方便对引信系统进行后续的仿真计算,现对模型进行以下简化处理:

1) 对于影响利用Hyper Mesh软件进行结构化网格划分的一些零件结构特征进行简化处理,如压螺与引信体之间、压螺与传爆管之间的螺纹连接[15]。

2) 在不影响机构正常运动的情况下,对于零件与零件之间存在的微小特征可以进行简化处理,如零件与零件之间的圆角(或倒角)[16]。

3) 在不改变零件之间连接关系的前提下,两者之间的连接件可以采用替代的方法,如左侧螺钉与离心销之间的弹簧,后续可以在定义二者之间的连接关系时采用弹簧约束来替代。

4) 一些对仿真计算结果影响不大的零件可以采用等效的方法,从而减少后续仿真计算的计算量,如针刺雷管,传爆药等[17]。

使用Hyper Mesh软件对简化后的模型进行结构化网格划分(“1 122”),主要将零件划分为六面体网格,单元类型选择SOLID185,SOLID185单元有8个节点。对于尺寸相对较小的零件(如压板、钢珠、左侧螺钉、离心轴等)需要进行网格细化,控制其网格单元大小为0.4 mm,其他零件网格单元大小为0.8 mm左右,最终划分好的网格模型如图2所示。根据统计一共划分为241 685个单元,有586 042个节点。

1.5 连接关系设置和载荷施加

复杂模型进行连接关系设定时,要根据装配体中各机构的运动机理来确定对应的连接关系。在引信整体中对于采用螺纹连接的零件可以通过使用绑定接触来约束连接件之间的自由度。对于存在相互运动的零件,需要设定摩擦系数μc,而摩擦系数μc与静摩擦系数μa、动摩擦系数μb、衰减指数db以及接触面之间的相对速度v有关,它们之间的关系是:

式中,取μa=0.1、μb=0.1、db=0。其他接触的零件采用几何体交互接触,类型默认为无摩擦,接触算法选用罚函数法Pure Penalty[18]。

为不忽视零件本身重量对仿真结果的影响,首先要对整个引信施加一个沿着y轴负方向的标准地球重力。为验证引信在70 000g和不低于30 000 r/min的工作条件下能否正常工作,在载荷施加时采用线性施加的方法[19],载荷施加的时间为t=10 ms。

后座载荷施加时,通过对引信施加一个沿着其轴向(y轴)的加速度来模拟发射过程中引信所受到的后座力,加速度∂通过单位换算为∂=686 000 m/s2,后座载荷曲线如图3所示。

转速载荷施加时,通过对引信底座施加一个绕着y轴的转动来模拟发射时引信所受到的转速过载,转速n要达到30 000 r/min,转速载荷曲线如图4所示。

2 有限元结果分析

2.1 后座加载结果分析

在进行引信系统后座过载工作环境的模拟时,沿着引信系统的轴向施加70 000g的轴向加速度,载荷作用时间为10 ms。引信在后座载荷作用下的总体变形结果如图5所示。总体应力结果如图6所示。

从图5中,可知引信系统在后座过载时的最大变形出现在压板上,从图6中,可知引信整体在后座载荷作用下所受到的最大应力是87.69 MPa,出现在支撑离心钢珠的零部件压板上。由此可知,在后座载荷的作用下,零部件压板承受的应力最大,它是最有可能会出现破坏的零部件。压板在后座载荷作用下的应力结果如图7所示。其对应的应力曲线如图8所示。

从图7中,可知零部件压板在后座载荷作用下的最大应力为87.69 MPa,压板上最大应力对应的节点单元ID为27 196。从图8中,可知压板承受的应力随着时间的变化而变化,压板承受的应力随着后座载荷的增大而增大。通过对引信整体工作原理的查看分析后,发现在受到后坐力加载时,钢珠由于限制回转体沿着后座方向的移动,自身会受到一个与载荷施加方向相同的剪切力,而钢珠本身是由压板提供支撑,压板限制了钢珠在受力后向下移动,因此最大应力出现在压板上符合实际情况。

综上,在后座载荷(70 000g)的作用下,引信系统仿真结果的最大应力是87.69 MPa,出现在零部件压板上,但最大应力不超过其材料的极限强度460 MPa,所以在后坐载荷作用下,引信系统中各零件都不会产生破坏。

2.2 转速加载结果分析

在进行引信系统转速过载工作环境的模拟时,绕着引信系统的轴向施加30 000 r/min的转动速度,载荷作用时间为10 ms。引信在转速加载时采用线性加载的方式,引信整体的变形仿真结果如图9所示。总体应力结果如图10所示。

从图9中,可知在转速载荷的作用下,引信体的最外圈的变形量最大,由于其距离引信系统的旋转轴的距离最远,所以图9变形结果云图符合一般规律。从图10中,能够发现在30 000 r/min的转速加载下,最大应力为292.51 MPa,最大应力出现在零部件底座上。此外,从图10中,可知离心机构(钢珠和离心销)能够在离心力的作用下正常工作,在离心力的作用下解除了对转子的约束限制。转子在不受离心机构的约束后,由于转子本身属于不对称结构会发生转动,从而使传火孔与击针对正,使引信处于待击发状态。零部件底座在转速载荷下的变形结果如图11所示。其应力结果如图12所示。

从图11中,可以发现底座在转速载荷作用下的最大变形出现在底座的最外圈,通过分析后发现其变形云图符合一般规律,距离旋转中心的距离越远,变形量越大。从图12中,可以发现在转速载荷施加时零部件底座上的最大应力为292.51 MPa,最大应力出现在压板与底座接触的位置处,最大应力对应的节点单元ID是6 182。通过对仿真结果的分析对比之后,发现底座上的出现的最大应力值为292.51 MPa,而查阅表1发现底座材料的极限强度460 MPa。

因此,在30 000 r/min的转速作用下,引信系统承受的最大应力为292.51 MPa,出现在零部件底座上,但最大应力不超过其材料的极限强度,所以在转速载荷作用下,引信系统各零件都能正常工作并不会出现破坏的情况。

2.3 转子转动角度分析

经过测量,勤务处理时转子传爆孔与旋转轴线之间的角度是44.5°。在转速载荷施加时,转子转动的角度会直接影响引信系统在打击目标时能否成功引爆弹丸,因此要在仿真结果中提取转子在转速载荷施加下转子转动的角度。在提取转子的转动角度时需要重新建立一个转子的圆柱坐标系,在结果提取时要利用弧长公式,其表达式为

式中:uy表示转子转动的角度大小;uz表示转子转动弧长大小;d表示转子上的点到转动中心的最大距离,这里d=5.25。转子转动角度如图13所示。转子转动角度曲线uy-t 如图14所示。

从图13中能够得知,在转速载荷作用下,转子解除保险并在离心力的作用下转动了44.395°。从图14中可以得出,转子转动的角度时随时间的变化而变化的,当t=0.8时离心保险机构(离心销和钢珠)解除对零部件转子的约束作用,转子由于自身的质心与旋转轴线偏离而开始转动;当t=9时零部件转子转动44.395°,此时引信系统中的传爆孔、雷管和传爆管三者对正。当9

3 结论

本文中研究某型25 mm小口径引信在高过载环境下引信系统的强度能否满足安全的要求,通过仿真实验得出以下结论:

1) 在后座加载时,对于整个引信来说,最容易出现破坏的地方在压板上。其受到的最大应力是87.69 MPa,小于材料的强度极限(460 MPa),所以在后座加载时,引信所有零件满足发射安全性的要求。

2) 在转速加载时,引信系统中最可能出现破坏的地方是在底座上。底座受到的最大应力是292.51 MPa,远远小于其材料的强度极限(460 MPa),故在转速加载时,底座的强度满足要求,保证整个引信系统能够正常工作。

3) 在转速加载时,转子在t=0.8时解除保险,在t=9时转子转动的角度uy=44.395,此时引信传爆孔、雷管、传爆管三者对正并保持不动,保证引信在打击目标时能正常工作。

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