楊宏亮，王雨時，聞 泉，李來福，薛 剛

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.吉林市江機(jī)民科實(shí)業(yè)有限公司，吉林 吉林 132021)

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引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性仿真方法

楊宏亮1，王雨時1，聞 泉1，李來福1，薛 剛2

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.吉林市江機(jī)民科實(shí)業(yè)有限公司，吉林 吉林 132021)

針對引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)設(shè)計以經(jīng)驗(yàn)為主的現(xiàn)狀，提出了引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性仿真方法。該方法采用LS-DYNA軟件對引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性進(jìn)行了仿真研究，得到了結(jié)構(gòu)尺寸和材料、過載大小和持續(xù)時間與剪切銷剪斷后軸向伸縮系數(shù)、徑向伸縮系數(shù)的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在便于裝配的前提下剪切銷和保險銷與支座間的間隙越小越好，在保險銷和支座剪切銷孔口棱角處去毛刺可制圓角但不可倒角，保險銷、剪切銷和支座的最優(yōu)材料分別為45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金，剪切銷保險機(jī)構(gòu)適用于過載持續(xù)時間較短的發(fā)射環(huán)境。

引信；數(shù)值仿真；設(shè)計原則；保險機(jī)構(gòu)；剪切銷

0 引言

剪切銷保險機(jī)構(gòu)是一種典型的引信剛性保險機(jī)構(gòu)，主要由保險銷、剪切銷和支座構(gòu)成。其作用機(jī)理是保險狀態(tài)下由剪切銷卡住保險銷，使其不能運(yùn)動從而保證被保險；在預(yù)定載荷如發(fā)射后坐過載的作用下，剪切銷被剪斷從而釋放保險銷進(jìn)而釋放被保險件。剪切銷的剪切性能與預(yù)定載荷(如發(fā)射過載)、載荷持續(xù)時間、保險銷材料和尺寸、剪切銷材料和尺寸、支座材料和尺寸、剪切銷與保險銷的間隙、剪切銷與支座的間隙等因素有關(guān)。

保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸、過載大小與持續(xù)時間、保險機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)材料等不同時，剪切銷剪切過程中彈性變形和塑性變形狀態(tài)也會不同。剪切銷在剪切過程中受力狀態(tài)不同，其斷口形狀和位置也會不同，從而對引信解除保險正確性產(chǎn)生影響[1]。

目前尚未見到有詳細(xì)描述剛性保險機(jī)構(gòu)剪切銷剪切過程的理論模型，也未見有詳細(xì)描述剛性保險機(jī)構(gòu)剪切銷剪切變形影響因素的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提供了一種分析剪切銷抗剪強(qiáng)度的方法，通過數(shù)值仿真模擬了剪切銷剪切斷裂過程；文獻(xiàn)[3]通過軟件仿真和試驗(yàn)研究了相同環(huán)境下不同直徑剪切銷斷裂情況；文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)研究了剪切銷動態(tài)抗剪強(qiáng)度；但文獻(xiàn)[2—4]均未深入研究各因素對剪切銷剪切效果影響，目前未見有詳細(xì)研究不同因素對剪切銷剪切效果即引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性影響的文獻(xiàn)，也未見有系統(tǒng)、詳細(xì)論述剪切銷保險機(jī)構(gòu)仿真和設(shè)計方法的文獻(xiàn)，引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)設(shè)計以經(jīng)驗(yàn)為主。本文針對此問題，提出了引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性仿真方法。

1 引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)簡化模型

簡化后的1/4仿真模型如圖1所示。對支座進(jìn)行固定約束，對保險銷和剪切銷相應(yīng)面進(jìn)行面約束，應(yīng)用布爾運(yùn)算進(jìn)行模型分割，并采用3D實(shí)體單元劃分網(wǎng)格?；締挝恢茷閏m·g·μs。

圖1 剪切保險機(jī)構(gòu)1/4仿真模型Fig.1 Quarter simulation model of shear pin safety device

2 仿真模型與材料仿真參數(shù)

2.1 材料模型及狀態(tài)方程

支座材料取為7A04鋁合金，保險銷材料取為45鋼，兩者材料模型均為“MAT_JOHNSON_COOK”，剪切銷材料取為HPb63-3Y，材料模型選為“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真參數(shù)如表1、表2和表3所列。

表1 7A04鋁合金JONSON_COOK材料模型參數(shù)[5]

表2 45鋼P(yáng)JONSON_COOK材料模型參數(shù)[6-8]

表3 HPb63-3Y銅合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型參數(shù)[9]

2.2 結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)屬于精密機(jī)構(gòu)，各零件尺寸均較小。為便于裝配，剪切銷直徑應(yīng)略小于支座上保險銷孔直徑和保險銷上剪切銷孔直徑。因而，結(jié)構(gòu)之間會存在一定的間隙，如圖2所示。

圖2 剪切銷保險機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of shear pin safety device

表4 擬仿真研究的剪切銷保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2)在保險銷、剪切銷和支座的材料和尺寸、間隙Δ均不變條件下，研究間隙δ1和δ2尺寸變化對剪切銷剪切性能的影響。擬仿真研究的保險機(jī)構(gòu)的剪切間隙參數(shù)如表5所列。

3)倒角、圓角和尖角尺寸參數(shù)

保險銷棱角處倒角、圓角和尖角不同對剪切銷剪切效果也會有影響，因此仿真時選取不同倒角、圓角和尖角數(shù)值進(jìn)行研究。倒角、圓角和尖角位置如圖3所示，尺寸參數(shù)如表6所列，其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)同表4第一組。

表5 擬仿真研究的保險機(jī)構(gòu)的剪切間隙參數(shù)

圖3 保險銷上剪切銷孔孔口倒角、圓角和尖角示意圖Fig.3 Diagrammatic drawing of chamfering, rounded corner and sharp corner at the pore of shear pin in safety pin

名稱數(shù)值倒角R/mm0.050.10.20.3圓角C/mm0.050.10.20.3

2.3 保險件材料仿真參數(shù)

當(dāng)剪切銷和保險銷材料不變、支座材料改變時，不同材料間接觸剛度不同，剪切銷剪切性能會有所差異。因此對支座取不同材料進(jìn)行仿真分析。選取支座材料為7A04鋁合金、45鋼和HPb63-3Y銅合金。同理保持剪切銷和支座材料不變，選取保險銷材料為7A04鋁合金、45鋼和HPb63-3Y銅合金進(jìn)行仿真；保持保險銷和支座材料不變，選取剪切銷材料為7A04鋁合金、20鋼、紫銅、錫青銅和HPb63-3Y進(jìn)行仿真。剪切銷選取的材料參數(shù)如表7所列。

2.4 過載仿真參數(shù)

跌落環(huán)境和發(fā)射環(huán)境對剪切銷的剪切效果可能會有所不同。通過對保險銷施加不同過載值和不同過載時間來仿真研究剪切銷剪切過程受到的影響。仿真模擬過載系數(shù)如表8所列，其中過載曲線均取為[0，π]周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線。

表7 剪切銷材料主要參數(shù)[9-10]

表8 仿真模擬過載

以其中一組仿真參數(shù)為例的正弦慣性過載曲線如圖4所示。其中保險銷質(zhì)量為0.035 g，過載系數(shù)為40 000，持續(xù)時間為100μs，保險銷、剪切銷和支座材料分別取45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金。

圖4 過載系數(shù)為40 000、持續(xù)時間為100μs的后坐過載曲線Fig.4 Setback overload curve whose overload coefficient is 40000 and duration is 100

2.5 評價指數(shù)論證

剪切銷斷口破壞規(guī)則程度反映了剪切銷的剪切性能。剪切銷斷口越平整越能說明剪切銷主要承受剪切應(yīng)力，剪切銷是被剪斷而非拉斷。剪切銷如是被拉斷則其斷口位置不固定，可能會阻礙保險銷在腔室內(nèi)的順暢滑動進(jìn)而影響保險機(jī)構(gòu)解除保險正確性，因此剪切銷斷口形狀越平整越好。本文通過兩個參數(shù)——軸向伸縮系數(shù)和徑向伸縮系數(shù)來評價剪切銷斷口規(guī)則程度。軸向伸縮系數(shù)定義為剪切銷斷裂后所形成兩部分長度之和與剪切銷初始長度之比。該系數(shù)越小說明剪切銷越接近于純剪切，剪切效果越好。徑向伸縮系數(shù)定義為剪切銷斷裂處斷口最小直徑與剪切銷初始直徑之比。該系數(shù)越大說明剪切銷越接近于純剪切，剪切效果越好。

2.6 仿真可信性說明

以某高炮引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)為例來說明仿真正確性和可信性。其剪切銷材料為線H65(Y1)，圖定抗拉強(qiáng)度范圍為588±98 MPa。根據(jù)其材料尺寸按本文所敘建模方法仿真，剪切銷被剪斷，其剪切應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 剪切銷所受剪切應(yīng)力曲線Fig.5 Shear stress curve of shear pin

由圖5可知：剪切銷受到的剪切應(yīng)力峰值τP約為370 MPa。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測得剪切銷剪斷所需力如表9所列。

表9 剪切銷斷裂時保險銷所受壓力表

3 仿真方法

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化仿真

仿真過程中取過載系數(shù)為40 000，持續(xù)時間為100μs；保險銷、剪切銷和支座材料分別為45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金。仿真研究表4所列結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的保險機(jī)構(gòu)解除保險(剪切)過程，結(jié)果如表10所列。仿真研究表5所列結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險(剪切)過程，結(jié)果如表11、表12和表13所列。

表10 剪切銷保險機(jī)構(gòu)剪切銷在孔中間隙對剪切性能影響的仿真結(jié)果

表11 剪切銷保險機(jī)構(gòu)保險銷在孔中剪切間隙對剪切性能影響的仿真結(jié)果

表12 不同倒角尺寸參數(shù)仿真結(jié)果

3.2 材料優(yōu)選仿真

保險銷材料取45鋼、剪切銷材料取HPb63-3Y銅合金，支座取不同材料時仿真結(jié)果如表14所列。剪切銷材料取HPb63-3Y、支座材料取7A04鋁，保險銷取不同材料仿真結(jié)果如表15所列。保險銷材料取45鋼、支座材料取7A04鋁，剪切銷取不同材料仿真結(jié)果如表16所列。

表13 不同圓角尺寸參數(shù)仿真結(jié)果

表14 支座取不同材料仿真結(jié)果

表15 保險銷取不同材料仿真結(jié)果

表16 剪切銷取不同材料仿真結(jié)果

3.3 過載影響仿真

保險銷和支座材料分別取45鋼和7A04鋁合金，剪切銷材料取HPb63-3Y。不同過載而持續(xù)時間相同的仿真結(jié)果如圖6所示。過載相同而過載持續(xù)時間不同的仿真結(jié)果如表17所列。

3.4 仿真結(jié)果分析和討論

由表10可看出：在其他條件不變情況下，隨著間隙δ和間隙Δ的增大，軸向伸縮系數(shù)均增大，徑向伸縮系數(shù)均減小，說明剪切效果變差。由表11可看出：在δ1和δ2尺寸差別較小時，剪切銷有比較理想的剪切效果；δ1和δ2尺寸差別較大時剪切銷剪切效果明顯變差。結(jié)合表10和表11可知，各間隙越小剪切銷剪切效果越好。但間隙過小則會增加裝配難度，因此設(shè)計此類機(jī)構(gòu)時應(yīng)綜合取舍，在保證裝配便利的基礎(chǔ)上，設(shè)計的結(jié)構(gòu)間隙尺寸應(yīng)盡可能減小。

圖6 不同過載值下剪切銷剪切結(jié)果Fig.6 The shear pin shear result of different overload

過載持續(xù)時間/μs軸向伸縮系數(shù)徑向伸縮系數(shù)1000.9780.7945001.0050.54410001.0110.364

由表12可看出：保險銷存在倒角結(jié)構(gòu)時剪切銷剪切效果變差。由表13可看出：隨著圓角尺寸增大，軸向伸縮系數(shù)沒有明顯變化而徑向伸縮系數(shù)逐漸增大，說明剪切銷剪切效果越來越好。因此相關(guān)零件在加工時，為防止存在硬棱毛刺影響保險銷在支座孔內(nèi)的順暢運(yùn)動，可以對零件棱邊略微倒圓而不必強(qiáng)調(diào)要求尖角。由表14可看出:支座選用7A04鋁合金材料時剪切效果優(yōu)于其他材料且鋁合金材料密度小、經(jīng)濟(jì)性好，支座要求質(zhì)量要輕，因此工程上一般可選用鋁合金作為支座材料。保險銷是后坐過載響應(yīng)零件，在設(shè)計中應(yīng)選用密度較大、強(qiáng)度較高的材料，結(jié)合表15，保險銷選用45鋼材料剪切效果較好且優(yōu)于HPb63-3Y銅合金。結(jié)合表16可知，20鋼發(fā)生了明顯的塑性變形但未被剪斷，因?yàn)槠錇榉谴嘈圆牧?，彈塑性較強(qiáng)，剪切變形困難，所以剪切銷材料不適宜選用低碳鋼。銅合金材料剪切效果優(yōu)于鋁合金材料，而紫銅(T3)疲勞強(qiáng)度較小，易疲勞失效，勤務(wù)處理過程中可能斷裂[1]，黃銅(HPb63-3Y)材料明顯優(yōu)于其它銅合金材料(如錫青銅等)，因此剪切銷應(yīng)選用易切削類黃銅(如HPb63-3等)材料或性能與其接近的硬度大、脆性好的材料。由圖6可看出：過載系數(shù)k為10 000時，剪切銷發(fā)生了變形但沒有被剪斷；過載系數(shù)k為40 000時，剪切銷被剪斷。由表17可看出：過載相同的條件下，過載沖擊持續(xù)時間較短時，剪切效果較好；隨過載沖擊持續(xù)時間增長剪切效果變差。因此剛性保險機(jī)構(gòu)更適用于過載持續(xù)時間較短的發(fā)射環(huán)境。

4 結(jié)論

本文提出了引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性仿真方法。該方法采用LS-DYNA軟件對引信剪切銷保險機(jī)構(gòu)解除保險特性進(jìn)行了仿真研究，得到了結(jié)構(gòu)尺寸和材料、過載大小和持續(xù)時間與剪切銷剪斷后軸向伸縮系數(shù)、徑向伸縮系數(shù)的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，在便于裝配前提下剪切銷與保險銷和基座間的間隙越小越好；保險銷與基座間兩側(cè)間隙應(yīng)較為接近或保持一致；在支座和保險銷剪切銷孔口棱角處可制圓角去毛刺但不可倒角，也不必強(qiáng)調(diào)尖角；7A04鋁合金材料作為支座材料優(yōu)于45鋼和HPb63-3銅合金；HPb63-3銅合金作為剪切銷材料優(yōu)于7A04鋁合金和45鋼；45鋼作為保險銷材料優(yōu)于7A04鋁合金和HPb63-3銅合金；剪切銷保險機(jī)構(gòu)適用于過載持續(xù)時間較短的發(fā)射環(huán)境?？蔀榧羟袖N保險機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

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Simulation of Fuze Shear Pin Safety Device Arming Property

YANG Hongliang1, WANG Yushi1, WEN Quan1, LI Laifu1, XUE Gang2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Jiangsu,Nanjing,210094,China; 2.Jilin Jiangji Minco Industry Co. Lid, Jilin 132021,China)

According to the situation that shear pin safety device in fuze was usually designed empirically，this article present the simulation of arming property of shear pin safety device in fuze，LS-DYNA was used to research arming property of shear pin safety device in fuze，relationship between structure dimension and materials，size and duration of loads with coefficient of axial deformation and coefficient of radial deformation after shear pin was cut. Simulation result turned out that clearances between shear pin，aiming pin with supporting seat were smallest possibly in easy assembly conditions. Making rounded corner but not making fillet to remove burrs in the edges and corners of shear pin pores in aiming pin and supporting seat. The best materials of aiming pin，shear pin and supporting seat respectively were 45 steel，HPb63-3Y copper alloy and 7A04 aluminum alloy. Shear pin safety device was suitable for short duration launch environment.

fuze；numerical simulation；design principle；safety device；shear pin

2016-03-25

楊宏亮(1990-)，男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：引信系統(tǒng)分析與設(shè)計。Email：15952043154@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)05-0031-06