楊清熙，齊杏林，趙志寧，李永鐸，韓苗青

(1解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003;2總參炮兵訓(xùn)練基地，河北宣化 075100;3 71496部隊(duì)，山東煙臺(tái) 265800)

0 引言

撞擊旋轉(zhuǎn)法是一種模擬引信發(fā)射中后坐和離心環(huán)境的方法。撞擊旋轉(zhuǎn)法是利用氣體炮發(fā)射裝有倒置引信(或引信零部件)的試驗(yàn)彈，試驗(yàn)彈飛出炮口后進(jìn)入由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)管，撞擊旋轉(zhuǎn)管中的緩沖器和動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊，利用撞擊過(guò)程的突然受阻減速模擬后坐加速度，利用緩沖器和旋轉(zhuǎn)管的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)模擬離心環(huán)境[1]。撞擊旋轉(zhuǎn)法的關(guān)鍵技術(shù)是利用了撞擊減速法模擬后坐加速度，撞擊旋轉(zhuǎn)法已成功應(yīng)用于引信電源激活性能的檢測(cè)，但利用這種方法對(duì)引信解除保險(xiǎn)性能檢測(cè)所面臨的主要問(wèn)題是所模擬的后坐加速度持續(xù)時(shí)間不足、后坐加速度曲線的調(diào)節(jié)困難[2－3]。

緩沖器是影響加速度持續(xù)時(shí)間的主要因素，可通過(guò)選用不同材料、形狀、尺寸的緩沖器來(lái)控制后坐加速度曲線[4]。泡沫鋁材料是一種很好的緩沖材料，文中以泡沫鋁塊為緩沖器考慮撞擊減速法所模擬的后坐加速度曲線[5]。

1 撞擊減速模型的建立

引信利用彈口螺紋旋在一帶螺紋的特制圓柱筒上，二者連在一體形成試驗(yàn)彈。動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊采用黃銅塊，緩沖器是具有一定形狀的泡沫鋁塊，旋轉(zhuǎn)管是合金鋼管。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)碰撞減速過(guò)程進(jìn)行仿真。試驗(yàn)彈、旋轉(zhuǎn)管、動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊選用剛體模型，其部分參數(shù)如表1所示。

表1 碰撞模型材料的部分參數(shù)

對(duì)于泡沫鋁材料，選用兩種密度分別為1800 kg/m3、370kg/m3的泡沫鋁材料進(jìn)行對(duì)比研究，泡沫鋁選用可壓扁泡沫材料模型(Crushable-Foam模型)，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1所示[6]。

圖1 泡沫鋁材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由于模型結(jié)構(gòu)形狀、沖擊載荷具有對(duì)稱性，為節(jié)減計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，試驗(yàn)彈、緩沖器、動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊、旋轉(zhuǎn)管均采取1/2模型建模，整個(gè)模型如圖2所示。

圖2 撞擊減速模型

2 撞擊減速過(guò)程分析

當(dāng)試驗(yàn)彈以40m/s的速度碰撞1800 kg/m3的泡沫鋁塊時(shí)，試驗(yàn)彈先壓縮泡沫鋁塊變形，泡沫鋁塊在壓扁的過(guò)程中推動(dòng)動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊向前移動(dòng)。其過(guò)程可由圖3直觀看出。

由圖3知，碰撞過(guò)程中，試驗(yàn)彈上節(jié)點(diǎn)8975、泡沫鋁塊上節(jié)點(diǎn)7970、動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊上節(jié)點(diǎn)5369的速度－時(shí)間曲線如圖4所示。由圖可見(jiàn)試驗(yàn)彈速度由40m/s逐漸下降，最后與泡沫鋁塊一起靜止，而動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊吸收碰撞的能量后以7m/s的速度飛出。

3 撞擊減速所得加速度－時(shí)間曲線分析

引信解除后坐保險(xiǎn)不僅與其受到的后坐加速度有關(guān)而且與后坐加速度持續(xù)時(shí)間有關(guān)。例如某種觸發(fā)引信解除后坐保險(xiǎn)所需的后坐加速度要求在20000m/s2、持續(xù)時(shí)間0.001s以上。這就要求當(dāng)對(duì)引信后坐保險(xiǎn)解除保險(xiǎn)性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要模擬的加速度參數(shù)能滿足要求。而模擬所得的加速度與試驗(yàn)彈碰撞初速、緩沖器材料及尺寸、動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊重量等都有關(guān)系。

圖3 不同時(shí)刻模型狀態(tài)圖

圖4 模型上典型節(jié)點(diǎn)速度－時(shí)間曲線

3.1 初速對(duì)加速度－時(shí)間曲線的影響

試驗(yàn)彈以不同速度碰撞密度為1800 kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質(zhì)量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時(shí)間曲線如圖5所示。

根據(jù)圖5不同碰撞初速下的加速度－時(shí)間曲線可以得到表2中加速度參數(shù)，由表2知碰撞初速直接影響加速度峰值和加速度持續(xù)時(shí)間，在其他條件不變的情況下，初速越大，加速度峰值越高，加速度持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。但當(dāng)初速增加到一定值時(shí)，泡沫鋁塊會(huì)被壓扁，失去緩沖效果，得到的加速度－時(shí)間曲線不穩(wěn)定。

3.2 泡沫鋁塊厚度對(duì)加速度－時(shí)間曲線的影響

試驗(yàn)彈初速30m/s，碰撞密度為1800 kg/m3，厚度分別為0.08m、0.05m的泡沫鋁塊，質(zhì)量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時(shí)間曲線如圖6所示。

由圖6知，當(dāng)泡沫鋁塊厚度為0.08m時(shí)，加速度峰值32000m/s2，加速度 ＞0m/s2持續(xù)時(shí)間約為0.0012s。當(dāng)泡沫鋁塊厚度為0.005m時(shí)，加速度峰值28000m/s2，加速度＞0m/s2持續(xù)時(shí)間約為0.001s。由此可知泡沫鋁塊厚度越小加速度峰值越小，加速度持續(xù)時(shí)間越短。同時(shí)泡沫鋁塊厚度越小，緩沖效果越差，在較低碰撞初速下就會(huì)壓扁，失去緩沖效果。

圖5 不同碰撞初速下的加速度－時(shí)間曲線

表2 不同碰撞初速下的加速度參數(shù)

圖6 不同厚度泡沫鋁塊下的加速度－時(shí)間曲線

3.3 緩沖器材料對(duì)加速度－時(shí)間曲線的影響

試驗(yàn)彈初速10m/s，碰撞密度為370kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質(zhì)量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時(shí)間曲線如圖7所示。

圖7 370kg/m3泡沫鋁塊下的加速度－時(shí)間曲線

由圖7知，當(dāng)泡沫鋁塊密度為370kg/m3時(shí)，加速度峰值為5700m/s2，加速度 ＞0m/s2持續(xù)時(shí)間約為0.0027s。對(duì)比圖5中(d)圖知泡沫鋁塊密度越小加速度峰值越小，加速度持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。但是泡沫鋁塊密度越小，在較低的碰撞初速下就會(huì)壓扁，失去緩沖效果。

3.4 動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量對(duì)加速度－時(shí)間曲線的影響

試驗(yàn)彈初速20m/s，碰撞密度為1800kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質(zhì)量分別為2.52kg、2.10kg的黃銅塊，其加速度－時(shí)間曲線如圖8所示。

由圖5(c)知，當(dāng)動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量為3.15kg時(shí)，加速度峰值約為26000 m/s2。由圖8知，當(dāng)動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量為2.52kg時(shí)，加速度峰值約為20000 m/s2。當(dāng)動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量為2.10kg時(shí)，加速度峰值約為18000 m/s2。三種長(zhǎng)度動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊下的加速度大于0 m/s2持續(xù)時(shí)間均約為0.0011s。所以可知?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換塊的質(zhì)量主要影響加速度峰值，動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量越小，加速度峰值越小。

圖8 不同質(zhì)量動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊下的加速度－時(shí)間曲線

4 結(jié)論

文中對(duì)撞擊減速法模擬引信后坐環(huán)境進(jìn)行了建模仿真，重點(diǎn)分析了影響后坐加速度－時(shí)間曲線的因素。根據(jù)分析結(jié)果知泡沫鋁材料作為緩沖器能起到很好的緩沖效果。泡沫鋁材料密度越小得到的加速度持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)碰撞初速、泡沫鋁塊厚度、動(dòng)量轉(zhuǎn)換塊質(zhì)量等措施調(diào)節(jié)加速度－時(shí)間曲線。

[1]Harold R Martin.Construction details of HDL artillery simulator(prototype)，AD660334[R].1967.

[2]Herbert D Curchack.Artillery simulator，US，3444733[P].1969－5－20.

[3]Donald J Mary.The high-spin tabletop artillery simulator(2in.)，ADA075238[R].1979.

[4]Michael G Otten.Development of a 7-inch air gun for use in interior ballistics simulation，ADA020866[R].1975.

[5]徐蓬朝，黃惠東，揭濤，等.高超音速侵徹引信中的泡沫鋁墊片[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2010，32(6)：63－67.

[6]聞利群，魯建霞，張同來(lái).泡沫鋁和橡膠對(duì)測(cè)試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(3)：223－225.