王耀琦，梁增友，時文超，陳智剛，趙文杰

(1 中北大學機電工程學院，太原 030051； 2 山東華源萊動內(nèi)燃機有限公司，山東萊陽 265200)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，具有高價值的軍事和戰(zhàn)略目標為了規(guī)避毀滅打擊，紛紛將其地下化或半地下化，并且防護程度越來越高,這就促使一些智能型攻堅彈相繼出現(xiàn)。在針對攻堅彈的研發(fā)過程中，彈體侵徹加速度時間曲線的測試是一項必須要完成的工作，它往往涉及到彈體強度設計，戰(zhàn)斗部裝藥的安定性，引信的正確動作，彈體與目標的交互作用，炸藥的定深起爆等多個方面[1]。由于彈體在高速侵徹硬目標過程中，彈載測試模塊往往會承受高達數(shù)萬g的過載而工作失靈，為了保證高速侵徹硬目標過程中彈載測試裝置獲取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，就必須對其進行緩沖保護。由于彈體空間有限，采用吸收能量高的塑性變形材料或結(jié)構(gòu)對測試模塊進行緩沖保護是一種較為理想的選擇，目前已有學者進行了相關(guān)的研究。錢立志[2]等設計了由橡膠墊和碟簧組合的復合減震裝置，該裝置能夠有效降低過載，但需要占用較大空間。劉豐林[3]等提出采用一種線性特性好，體積小并且結(jié)構(gòu)簡單的O形彈簧代替無法使用液壓緩沖效能的吸能裝置，能較好的吸收沖擊載荷，保證設備安全。倪建華[4]等研究發(fā)現(xiàn)管梁結(jié)構(gòu)吸能元件的吸能曲線較為平穩(wěn)，可以作為汽車碰撞吸能部件的一種選擇。航天領(lǐng)域，美國先驅(qū)者號，前蘇聯(lián)的火星3號、火星6號的探測器均使用薄壁金屬管來吸收著陸時的沖擊能量[5]。何成[6]通過對錐形薄壁管的耐撞性實驗研究發(fā)現(xiàn)圓錐管的耐撞性要優(yōu)于方形管。梁增友[7]等通過研究金屬管塑性變形緩沖器發(fā)現(xiàn)其能大幅降低高速彈丸中彈載設備的過載，緩沖效果明顯。大量的研究表明，通過合理的結(jié)構(gòu)設計，可使薄壁金屬管具有可控變形模式和較為平穩(wěn)的壓縮載荷，文中是基于這一思想來研究薄壁金屬管的緩沖性能。

1 薄壁金屬管

薄壁金屬管塑性變形緩沖器是依靠擴徑變形過程中的彈塑性變形和摩擦發(fā)熱來吸收沖擊能量的[8]，圖1為薄壁金屬管結(jié)構(gòu)圖，它由錐臺和脹環(huán)組成，當沖擊載荷施加于錐臺時，由于錐臺的大端外徑大于脹環(huán)下端的內(nèi)徑，當錐臺向下沖擊時，脹環(huán)會發(fā)生擴徑變形，使沖擊載荷轉(zhuǎn)換為脹環(huán)的塑性變形和錐臺與脹環(huán)摩擦生熱所做的功，以此來達到緩沖吸能的目的。

根據(jù)文獻[9]，薄壁金屬管的緩沖力可表示為：

(1)

從式(1)中可以看出，薄壁金屬管的緩沖力的大小主要由R1、R2、σs、f、α、t等參數(shù)決定，其中R1、R2、α、t為薄壁金屬管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而根據(jù)梁增友[10]等人的研究發(fā)現(xiàn)，當R2、H一定的情況下，錐角α對薄壁金屬管緩沖力的影響要大于壁厚t，因此將t保持不變，通過改變錐角α的大小來研究薄壁金屬管的緩沖特性。

2 空氣炮實驗

2.1 空氣炮實驗原理

空氣炮系統(tǒng)包括空氣炮，沖擊子彈，實驗結(jié)構(gòu)，測試儀器，緩沖裝置，瞬態(tài)波形記錄儀和計算機等，如圖2所示。空氣炮通過高壓氣體做功將速度施加到具有一定質(zhì)量的沖擊子彈上，沖擊子彈沿著身管運動并撞擊測試段上的實驗結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)構(gòu)在被撞擊后開始加速運動，同時測試裝置在此加速度下由于自身慣性向前運動，并使脹環(huán)發(fā)生壓縮、變形。

采用差動式激光多普勒測速儀和加速度傳感器試驗結(jié)構(gòu)和測試裝置的加速度信號，并由測試存儲模塊進行記錄，待實驗完畢后，將數(shù)據(jù)采集并進行濾波處理，試驗所用的加速度傳感器經(jīng)標定后量程為0～80 000g,有效工作時間為10 min。

2.2 試樣結(jié)構(gòu)

為了便于結(jié)果分析，將脹環(huán)結(jié)構(gòu)分為起始段，不定徑段和定徑段3部分。錐臺對應分為起始段和不定徑段兩部分，如圖3所示。高度H為30 mm，大端中徑R2為29 mm，起始段長度L1為4 mm，定徑段長度L2為22 mm,錐角α=7°、10°、15°和18°，壁厚t=2.0 mm。

2.3 結(jié)果分析

圖4為薄壁金屬管試驗前后照片(限于篇幅只列一組10-1)。

圖5為不同錐角的薄壁金屬管加速度時間歷程曲線。

根據(jù)加速度時間曲線還可以得出以下結(jié)論：相同壁厚條件下，錐角越大，薄壁金屬管的加速度峰值和平臺加速度值也相應的增大。當錐角為7°，10°，15°時，平臺區(qū)加速度值起伏平穩(wěn)且較為穩(wěn)定，而當錐角為18°時，平臺區(qū)加速度值起伏明顯增大，這說明當錐角較大時，脹環(huán)在塑性變形過程中存在明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 評價方法

表1 不同錐角的薄壁金屬管隔沖效率

從表1中得出，在相同壁厚條件下，薄壁金屬管的隔沖效率隨著錐角的減小而增大，且錐角為7°的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)的隔沖效率最大，為87.75%。

為綜合評價薄壁金屬管的緩沖性能，在彈體空間相對有限的條件下，以單位體積比吸能、單位質(zhì)量比吸能和載荷效率作為評價緩沖性能的重要指標[8]。

緩沖器單位體積吸收能量EV為：

(2)

式中：Etotal為緩沖器吸收總能量；V是緩沖器所占體積。

緩沖器單位體積吸能量Em為：

(3)

式中：Etotal為緩沖器吸收總能量；m是緩沖器所占質(zhì)量。

緩沖器載荷效率Ae為：

(4)

式中：Fa為平均載荷；Fb為峰值載荷。

表2 薄壁金屬管緩沖性能參數(shù)對比

通過上文綜合分析，質(zhì)量比吸能，體積比吸能，載荷效率等3個指標可以初步判斷錐角為15°，壁厚為2.0 mm的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有最佳緩沖效能。

4 有限元分析

對試驗結(jié)構(gòu)進行仿真分析，仿真思路如下：將幅值為16 000g，脈寬為400 μs的沖擊加速度曲線施加到模擬彈體上，該加速度曲線通過空氣炮實驗獲取并做了一些簡化處理，如圖6所示。

為了減少計算量，建立1/4模型，如圖7所示，其中模擬彈體，測試裝置、錐臺和脹環(huán)采用solid164實體單元，并以六面體網(wǎng)格進行劃分，定義模擬彈體與測試裝置的面面自動接觸，模擬彈體與脹環(huán)為面面自動接觸，脹環(huán)與錐臺為面面自動接觸。

為了確保仿真結(jié)果與實驗結(jié)構(gòu)相吻合，模擬彈體、測試裝置，錐臺、脹環(huán)所用材料分別為6A02T6鋁、40Cr、40Cr、45#鋼，其中模擬彈體材料屬性采用與應變率相關(guān)的雙向性應變強化模型，測試裝置和錐臺的材料由于強度和剛度較大，因此選用剛體模型來表示，脹環(huán)材料屬性同樣采用雙線性應變強化模型，基本材料參數(shù)設置見表3。

表3 基本材料參數(shù)設置

圖8為仿真和實驗結(jié)果變形圖，圖9為仿真和實驗加速度時間歷程曲線對比。

從圖9可以得出仿真加速度時間歷程曲線要略低于實驗加速度時間曲線，可能與仿真模型的網(wǎng)格質(zhì)量、材料參數(shù)、材料失效準則等有關(guān)。從表4得出，加速度峰值誤差波動為6.1%，實驗和仿真結(jié)果較為一致。

表4 實驗和仿真結(jié)果誤差波動范圍(錐角10°)

注：ap為平均加速度

文中為了驗證所得出結(jié)果的合理性，將15-1的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)進行高g值下的緩沖性能研究，具體思路是將脈寬保持不變，幅值增加1.5g～24 000g的三角形沖擊加速度施加到模擬彈體上，同樣以隔沖效率，單位體積吸能，單位質(zhì)量吸能，載荷效率作為評價薄壁金屬管緩沖性能的重要指標，結(jié)構(gòu)緩沖性能對比如表5所示。

表5 緩沖性能對比(錐角為15°)

從表5中可以看出，將沖擊加速度幅值提高1.5倍時，測試裝置的體積比吸能和質(zhì)量比吸能均提高了1.89倍，隔沖效率也相應的提高了1.16倍，而載荷效率變化較小，因此可以得出在相同壁厚條件下，錐角為15°的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有良好的緩沖效能。

5 結(jié)論

1)薄壁金屬管在高g值下的加速度時間歷程曲線表現(xiàn)為明顯的二階段特征，即載荷峰值區(qū)和平臺穩(wěn)定區(qū)，相同壁厚條件下，薄壁金屬管的加速度歷程曲線隨著錐角的增大而相應地提高。

2)以隔沖效率，體積比吸能，質(zhì)量比吸能，載荷效率等作為薄壁金屬管緩沖效能的評價指標，發(fā)現(xiàn)錐角為15°時薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有最佳緩沖效能。