肖 劍,王雨時(shí),聞 泉,張 濱,陳政偉

(1. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094；2.江西新明機(jī)械有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

磁后坐發(fā)電機(jī)是一種典型的引信物理電源，主要由磁芯(永磁鐵)、電樞(線圈)、保險(xiǎn)片和磁芯托組成，其作用機(jī)理是保險(xiǎn)狀態(tài)下由保險(xiǎn)片托住磁芯，使其不能運(yùn)動(dòng)，從而保證被保險(xiǎn)；在發(fā)射后坐力的作用下，保險(xiǎn)片被磁芯剪斷從而釋放磁芯，磁芯在后坐力作用下，相對(duì)電樞作軸向直線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為引信提供能量輸入，并最終進(jìn)入磁芯托盲孔中。保險(xiǎn)片在引信中的保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)(剪切)性能與沖擊過(guò)載、沖擊過(guò)載持續(xù)時(shí)間、保險(xiǎn)片材料、磁芯托口部直徑以及磁芯端面形態(tài)等因素有關(guān)。文獻(xiàn)[1]研究了磁后坐發(fā)電機(jī)能量與尺寸的關(guān)系。文獻(xiàn)[2]開展了磁后坐發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的有限元分析。文獻(xiàn)[3—4]主要研究了影響剪切銷保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)剪切性能的因素。

在引信磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是通過(guò)多次試驗(yàn)逼近的方法確定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，周期長(zhǎng)、消耗大、難以優(yōu)化，安全性和可靠性均不易提高。針對(duì)此后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在跌落沖擊下的安全性和在發(fā)射沖擊下的解除保險(xiǎn)可靠性問(wèn)題，本文以30 mm口徑火炮引信用磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用商業(yè)軟件LS-DYNA仿真磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)跌落和發(fā)射沖擊的響應(yīng)過(guò)程，分析保險(xiǎn)片材料、磁芯與磁芯托間隙不同情況下遭受兩種沖擊時(shí)的變形時(shí)刻或剪斷時(shí)刻，為磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

所設(shè)計(jì)保險(xiǎn)片是面對(duì)稱結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，故簡(jiǎn)化為1/2仿真模型(如圖2所示)。運(yùn)用LS-DYNA商業(yè)軟件仿真跌落沖擊和發(fā)射沖擊作用下磁后坐發(fā)電機(jī)磁芯對(duì)保險(xiǎn)片的剪切過(guò)程。仿真以cm·g·μs為基本單位，采用SOILD164實(shí)體單元映射劃分網(wǎng)格，對(duì)磁芯托的底部和電樞的頂部施加固定約束，并對(duì)模型對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。

圖1 磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic of magnetic setback motor safety device

圖2 磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)1/2仿真模型Fig.2 The half simulation model of magnetic setback motor safety device

2 仿真模型與材料仿真參數(shù)

2.1 材料模型

磁芯材料是永磁材料[1]。在仿真過(guò)程忽略電磁效應(yīng)的影響，將磁芯和電樞材料分別采用45鋼和7A04鋁合金代替，兩者材料模型均采用“MAT_JOHNSON_COOK”。磁芯托材料是7075鋁合金，保險(xiǎn)片是1060鋁，兩者材料模型均采用“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真參數(shù)如表1—表4所列。

表1 45鋼JONSON_COOK材料模型主要參數(shù)[5-7]

表2 7A04鋁合金JONSON_COOK材料模型主要參數(shù)[8]

表3 7075鋁合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數(shù)[9]

表4 1060鋁PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數(shù)[9]

2.2 結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

在磁芯、電樞和保險(xiǎn)片材料及尺寸均不改變、磁芯托材料也保持不變的條件下，研究磁芯托內(nèi)徑D對(duì)保險(xiǎn)片保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)性能的影響，擬仿真研究的磁芯托內(nèi)徑結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所列。磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖Fig.3 The physical map of magnetic setback motor safety device

2.3 保險(xiǎn)片材料仿真參數(shù)

在磁芯、電樞和磁芯托材料不變的情況下，改變保險(xiǎn)片材料，材料不同其力學(xué)性能不同，保險(xiǎn)片剪切性能會(huì)有差異。因此對(duì)保險(xiǎn)片采用不同材料進(jìn)行仿真分析，選取保險(xiǎn)片材料為紫銅、20鋼、黃銅(HPb63-3Y)、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)，材料參數(shù)如表6所列。

表5 擬仿真研究的磁芯托內(nèi)徑結(jié)構(gòu)參數(shù)

表6 保險(xiǎn)片材料主要參數(shù)[10-12]

2.4 過(guò)載仿真參數(shù)

為保證磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在跌落沖擊下的安全性以及在發(fā)射沖擊下的解除保險(xiǎn)可靠性，采用半周期正弦規(guī)律簡(jiǎn)化曲線和Vallier公式曲線[13]分別模擬跌落沖擊過(guò)載曲線和發(fā)射沖擊過(guò)載曲線，并按文獻(xiàn)[14]給出的經(jīng)驗(yàn)公式估算出該小口徑火炮引信發(fā)射過(guò)載作用時(shí)間，所得跌落和發(fā)射沖擊過(guò)載曲線分別如圖4和圖5所示。其中過(guò)載系數(shù)系根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)確定，如表7所列。

圖4 跌落沖擊過(guò)載曲線Fig. 4 The drop overload coefficient curve

圖5 發(fā)射沖擊過(guò)載曲線Fig. 5 The launch overload coefficient curve

過(guò)載類型過(guò)載系數(shù)作用時(shí)間/s跌落過(guò)載15 000200發(fā)射過(guò)載50 0004 500

2.5 仿真驗(yàn)證

按照GJB573A-1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》要求，對(duì)磁后坐發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)配彈進(jìn)行1.5 m落高的跌落試驗(yàn)，其中保險(xiǎn)片所用材料為1060鋁，結(jié)構(gòu)參數(shù)所用數(shù)據(jù)為表6第六組參數(shù)。保險(xiǎn)片跌落試驗(yàn)后的狀態(tài)如圖6所示，中間凹陷0.84 mm。仿真所得結(jié)果如圖7所示，中間凹陷0.866 mm。相對(duì)誤差為3.09%，說(shuō)明仿真方法與結(jié)果是可信的。

圖6 跌落試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The results of drop test

圖7 跌落仿真結(jié)果Fig.7 The results of drop simulation

3 仿真結(jié)果

3.1 跌落環(huán)境仿真結(jié)果和分析

在跌落后坐過(guò)載下，不同材料在不同磁芯托內(nèi)徑下保險(xiǎn)片剪切破壞時(shí)間仿真結(jié)果如表8所列，用Matlab擬合不同材料在不同磁芯托內(nèi)徑的凹陷程度曲線，其中純鋁1060在磁芯托內(nèi)徑6.5 mm下解除保險(xiǎn)，故未在曲線中擬合此點(diǎn)凹陷程度，如圖8所示。

表8 跌落環(huán)境下保險(xiǎn)片剪切破壞時(shí)間仿真結(jié)果

注：表中數(shù)字表示保險(xiǎn)片剪斷時(shí)刻(μs)；“+∞”代表保險(xiǎn)片未被剪切，即磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)未解除保險(xiǎn)。

圖8 保險(xiǎn)片凹陷程度擬合曲線Fig.8 The fitting curve of safe feature pitting degree

由圖8可以看出：跌落過(guò)載下，相同材料在不同的磁芯托內(nèi)徑下凹陷程度不同，隨著直徑增大，凹陷程度逐漸增大。相同直徑下， 不同材料凹陷程度不同，按純鋁1060、紫銅、20鋼、HPb63-3Y、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)順序凹陷程度依次減小。其中紫銅、20鋼、黃銅(HPb63-3Y)、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托內(nèi)徑下均滿足跌落環(huán)境下的安全性，但純鋁1060在磁芯托內(nèi)徑6.5 mm下會(huì)解除保險(xiǎn)，解除保險(xiǎn)時(shí)刻為171 μs。

3.2 發(fā)射環(huán)境仿真結(jié)果

在發(fā)射后坐過(guò)載下，不同材料在不同磁芯托直徑下保險(xiǎn)片剪斷時(shí)刻、發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間(磁芯位移5.0 mm的時(shí)間)仿真結(jié)果如表9所列。磁芯托內(nèi)徑為6.0 mm的保險(xiǎn)片剪斷過(guò)程如圖9所示。

表9 發(fā)射環(huán)境下保險(xiǎn)片剪切破壞時(shí)間仿真結(jié)果

注：表中數(shù)字表示保險(xiǎn)片剪斷時(shí)刻/發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間(μs)；“+∞”代表保險(xiǎn)片未被剪切，即磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)未解除保險(xiǎn)。

圖9 保險(xiǎn)片剪斷過(guò)程Fig.9 The shear process of safe feature

由表9可以看出：發(fā)射沖擊下，相同材料在不同的磁芯托內(nèi)徑下保險(xiǎn)片剪斷時(shí)刻和發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間刻不同，隨著直徑增大，保險(xiǎn)片剪斷時(shí)刻和發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間均逐漸減小。相同直徑下，不同材料剪斷時(shí)刻和發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間不同，按純鋁1060、紫銅、20鋼、HPb63-3Y、H68和錫青銅(QSn6.5-0.4)順序剪斷時(shí)刻和發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間依次增大。其中紫銅和20鋼在以上磁芯托內(nèi)徑下均滿足發(fā)射環(huán)境下的解除保險(xiǎn)可靠性，黃銅(HPb63-3Y)和黃銅(H68)在直徑5.0 mm和5.5 mm下不能被剪斷，錫青銅(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托內(nèi)徑下均不能被剪斷。

由圖9可以看出：發(fā)射沖擊下，保險(xiǎn)片經(jīng)過(guò)拉脫變形后被剪斷。

由純鋁1060保險(xiǎn)片、直徑4.5 mm磁芯和直徑5.5 mm的磁芯托孔構(gòu)成的磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，在30 mm口徑火炮上經(jīng)數(shù)百發(fā)射擊實(shí)驗(yàn)，均能可靠解除保險(xiǎn)，并且同時(shí)滿足1.5 m跌落安全性要求。

4 結(jié)論

本文以30 mm口徑火炮引信用磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，應(yīng)用LS-DYNA商業(yè)軟件仿真磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在跌落和發(fā)射沖擊作用下的響應(yīng)過(guò)程，得到了保險(xiǎn)片材料、磁芯與磁芯托間隙不同情況下遭受兩種沖擊時(shí)的變形時(shí)刻或剪斷時(shí)刻， 即引信磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)特性和解除保險(xiǎn)特性。仿真結(jié)果表明：在磁芯托直徑較大(較小)情況下，磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射環(huán)境中發(fā)電機(jī)磁芯落底時(shí)間短(長(zhǎng))，在跌落環(huán)境下凹陷程度大(小)。該結(jié)果可為引信磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，并且可縮短引信磁后坐發(fā)電機(jī)保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)周期。該結(jié)果也可應(yīng)用于類似引信保險(xiǎn)片后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)。