張冬梅，李世中

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引言

機(jī)電引信在對(duì)靶射擊試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了瞎火率偏高的故障，分析其原因，可能是引信頭部觸發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)的問題。目前難以通過理論分析直接找出引信瞎火的原因[1-4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值仿真的方法精確研究彈引系統(tǒng)侵徹目標(biāo)問題，特別是侵徹過程中引信的動(dòng)態(tài)特性問題逐漸成為現(xiàn)實(shí)。文獻(xiàn)[5-8]對(duì)彈丸侵徹目標(biāo)的過程進(jìn)行了有限元仿真分析，獲得了侵徹過程中彈丸的加速度、速度、行程等變化曲線，并詳細(xì)闡述了彈丸所承受的過載規(guī)律。文獻(xiàn)[9-12]通過有限元仿真對(duì)不同彈頭形狀的彈丸侵徹混凝土目標(biāo)的過程進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈頭形狀對(duì)彈丸侵徹過載有一定的影響。

然而上述文獻(xiàn)研究的都是實(shí)心彈丸侵徹靶板的情形，建模時(shí)都未考慮引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)在侵徹過程中的動(dòng)態(tài)特性。本文針對(duì)此問題，提出了引信觸發(fā)開關(guān)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化方法。

1 碰合開關(guān)及其建模與仿真

1.1 碰合開關(guān)

觸發(fā)開關(guān)又稱發(fā)火開關(guān)或碰擊開關(guān)，它是利用載體碰擊目標(biāo)時(shí)的反作用力閉合來接通引信電路，從而使起爆元件發(fā)火。

常用的觸發(fā)開關(guān)有碰合開關(guān)、慣性開關(guān)和振動(dòng)開關(guān)。觸發(fā)開關(guān)通常應(yīng)滿足下列要求：

1)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在發(fā)射過程中和彈道上受干擾力作用時(shí)不得閉合，以保證發(fā)射時(shí)和彈道上的安全性；

2)碰擊目標(biāo)時(shí)能迅速閉合；

3)具有一定的靈敏度，在大著角碰擊目標(biāo)、小落角著地、擦地等情況下應(yīng)能可靠閉合；

4)接觸電阻和分布電容要小。常用鋼材制作接點(diǎn)，有時(shí)還要鍍銀來降低接觸電阻；開關(guān)的兩個(gè)電極保持一定的距離以減小分布電容。

根據(jù)引信戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求和配用武器系統(tǒng)的使用要求，碰合開關(guān)可設(shè)計(jì)成各種形狀，如銷狀、管狀、片狀和絲狀等。

某單兵火箭彈引信系統(tǒng)配用的碰合開關(guān)見圖1所示。該碰合開關(guān)裝在彈頭部，其與系統(tǒng)主控電路用電纜連接。其內(nèi)電極裝在外電極內(nèi)部，構(gòu)成作用元件，并通過螺紋固定在彈體上。為保證內(nèi)電極和外電極的同心性和絕緣要求，在內(nèi)電極中部安裝有絕緣體，外電極通過外部保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)彈體碰擊目標(biāo)時(shí)，碰合開關(guān)的內(nèi)電極和外電極接觸，即開關(guān)閉合，此時(shí)電引信供電電路接通，起爆元件發(fā)火。

圖1 碰合開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of trigger switch

1.2 建模與仿真

為了研究開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，采用有限元仿真的方法對(duì)安裝有碰合開關(guān)的彈丸侵徹目標(biāo)的過程進(jìn)行研究。

1.2.1數(shù)值仿真思路

首先，用TrueGrid軟件建好整個(gè)系統(tǒng)的三維有限元模型，彈頭三維有限元模型半剖后如圖2所示，然后在ANSYS軟件中添加材料及參數(shù)，施加載荷及邊界條件，最后輸出在DYNA中導(dǎo)入修改好的K文件進(jìn)行計(jì)算。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

擬定該碰合開關(guān)在彈丸以200 m/s 垂直侵徹25 mm松木板目標(biāo)時(shí)必須閉合(上限)，在彈丸以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板目標(biāo)時(shí)不閉合(下限)。

1.2.2數(shù)值仿真建模

彈丸簡(jiǎn)化為彈體、藥柱、引信3 個(gè)模塊；引信又簡(jiǎn)化為風(fēng)帽、外電極、內(nèi)電極、填充體和壓螺5個(gè)模塊。外電極和內(nèi)電極組成了頭部觸發(fā)開關(guān)，兩者接觸后，開關(guān)閉合，發(fā)火電路導(dǎo)通。靶板材料分別為3 mm膠合板和25 mm松木板。彈丸侵徹目標(biāo)的三維有限元模型如圖3所示。

圖3 彈丸侵徹靶板有限元模型Fig.3 Finite element model of projectile penetrating target

為了簡(jiǎn)化有限元模型，提高計(jì)算效率，作如下假設(shè)：

1)各零部件間均通過共節(jié)點(diǎn)法固連；

2)彈引系統(tǒng)的有限元模型與真實(shí)系統(tǒng)質(zhì)量保持一致；

3)整個(gè)碰撞過程不考慮熱效應(yīng)；

4)不考慮空氣阻力；

5)不考慮自身重力的影響；

6)彈丸和靶板撞擊前的應(yīng)力為0。

1.2.3材料模型與參數(shù)

各零部件所用材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系差別不大，屬于應(yīng)變率相關(guān)性較小的材料，因此均采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

1.2.4仿真結(jié)果分析

仿真得到的火箭彈以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板目標(biāo)和以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板目標(biāo)的過程如圖4和圖5所示。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)未閉合，即符合設(shè)計(jì)的下限要求，但在以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板的情況下不能閉合開關(guān)(內(nèi)外電極保持接觸狀態(tài))，因此該結(jié)構(gòu)不能夠滿足設(shè)計(jì)的上限要求。

圖4 250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板過程Fig.4 Process of penetration into 3 mm plywood

圖5 200 m/s垂直侵徹25 mm松木板過程Fig.5 Process of penetration into 25 mm pine board

以上情況考慮的均為彈丸垂直侵徹靶板的情況，為了驗(yàn)證實(shí)際著角對(duì)該碰合開關(guān)的影響，分別對(duì)彈丸以30°、45°、60°、80°著角侵徹25 mm松木靶的過程進(jìn)行了仿真，仿真的有限元模型如圖6所示，不同著角對(duì)應(yīng)的開關(guān)閉合時(shí)間如圖7所示。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈丸以適當(dāng)著角侵入靶板的時(shí)候開關(guān)可以閉合，開關(guān)閉合時(shí)間大于140 μs，但當(dāng)彈丸以接近0°和90°的著角侵入靶板的時(shí)候開關(guān)不能閉合。因此該結(jié)構(gòu)不能夠滿足設(shè)計(jì)的上限要求，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 不同角度侵徹松木靶Fig.6 Penetration into pine board at different angles

圖7 不同角度情況下開關(guān)閉合時(shí)間Fig.7 Switch closing time at different angles

2 開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由以上仿真結(jié)果可知，安裝圖1所示的碰合開關(guān)的機(jī)電引信不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。下面在不改變引信整體尺寸的前提下，分別通過調(diào)整電極厚度、形狀及內(nèi)部填充三種方法對(duì)開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 電極厚度對(duì)開關(guān)的影響

內(nèi)電極尺寸不變，將外電極厚度從0.6 mm分別調(diào)整為0.5、0.4、0.3 mm進(jìn)行仿真，從彈體接觸目標(biāo)到開關(guān)閉合經(jīng)歷的時(shí)間如表2所示。

表2 不同厚度電極的開關(guān)閉合時(shí)間Tab.2 Closing time of electrodes with different thickness

由表2可以看出外電極的厚度對(duì)開關(guān)閉合時(shí)間影響較大，當(dāng)電極厚度為0.6 mm和0.5 mm時(shí)彈體以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板開關(guān)不能閉合。當(dāng)外電極厚度為0.4 mm時(shí)，開關(guān)能夠閉合，從彈體接觸目標(biāo)到開關(guān)閉合大約需要123 μs，即開關(guān)閉合速度較慢；當(dāng)外電極厚度為0.3 mm時(shí)，開關(guān)閉合需要81 μs。該結(jié)果充分證實(shí)了外電極厚度越小開關(guān)閉合時(shí)間越短，因此可以通過調(diào)節(jié)電極的厚度來改變引信的瞬發(fā)度。

2.2 電極形狀對(duì)開關(guān)的影響

除了電極厚度，電極的形狀也是影響開關(guān)性能的一個(gè)重要因素。在不改變引信外形尺寸的前提下將引信形狀改為如圖8所示結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的彈引系統(tǒng)以200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶的過程中外電極變形過程如圖9所示。將其與原結(jié)構(gòu)侵徹過程對(duì)比可知，開關(guān)閉合的時(shí)間由81 μs減少到了36 μs，內(nèi)外電極接觸位置處外電極的變形量是2.2 mm,大于內(nèi)外電極的距離2 mm。由此可見，錐頭形狀的電極更容易變形，它比圓頭形狀的電極瞬發(fā)度更高，因此可以通過改變電極的形狀來調(diào)整開關(guān)的性能。

圖8 錐形頭部碰合開關(guān)Fig.8 Conical trigger switch

圖9 200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶外電極變形Fig.9 Deformation of outer electrode

2.3 內(nèi)部填充對(duì)開關(guān)的影響

保持內(nèi)外電極的形狀和尺寸不變，將電極內(nèi)部由實(shí)心變?yōu)榭招?，該結(jié)構(gòu)的彈體系統(tǒng)以200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶的過程如圖10所示。將其與實(shí)心結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，電極內(nèi)部空心設(shè)置的情況下開關(guān)能夠閉合，即空心電極具有更好的瞬發(fā)度。

圖10 200 m/s垂直侵徹松木靶過程Fig.10 Process of penetration into pine board

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

加工的開關(guān)樣品如圖11所示，其電極材料為紫銅，該系統(tǒng)通過螺紋固定到彈體上。

圖11 開關(guān)樣品圖Fig.11 Switch sample

侵徹實(shí)驗(yàn)過程在口徑為152 mm的一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中使用型號(hào)為FASTCAMSA5的高速攝像機(jī)，其幀率為10 000 f/s。高速攝像機(jī)拍攝撞擊侵徹過程，并根據(jù)圖像資料計(jì)算出彈體的初始撞擊速度，整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置方案如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)整體方案Fig.12 Overall test scheme

設(shè)計(jì)的碰合開關(guān)及其幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，原始結(jié)構(gòu)的碰合開關(guān)及其改進(jìn)結(jié)構(gòu)在侵徹3 mm膠合板的時(shí)候均未閉合，因此它們都符合在以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)不連通的要求。在侵徹25 mm松木靶的三次實(shí)驗(yàn)中，原始結(jié)構(gòu)和3#改進(jìn)結(jié)構(gòu)不能保證開關(guān)閉合，即使對(duì)于閉合情況，開關(guān)閉合時(shí)間也較長(zhǎng)。1#和2#改進(jìn)結(jié)構(gòu)的開關(guān)閉合時(shí)間較短，并且在3次試驗(yàn)中均成功閉合。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.3 Test parameters and results

因此，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的1#和2#開關(guān)具有更好的瞬發(fā)度和可靠性。

4 結(jié)論

本文提出了引信觸發(fā)開關(guān)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化方法。該方法分別通過ANSYS/LS-DYNA有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種手段對(duì)安裝機(jī)電引信的彈丸侵徹木質(zhì)靶板過程進(jìn)行研究，得到了不同結(jié)構(gòu)形態(tài)觸發(fā)開關(guān)著靶過程中的動(dòng)態(tài)特性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)剡x取電極的形狀和尺寸，該開關(guān)可以滿足以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板的情況下開關(guān)連通，以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)不連通的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)整電極厚度、形狀及內(nèi)部填充三種因素對(duì)開關(guān)性能影響很大，具體結(jié)論如下：

1)外電極厚度越小開關(guān)閉合時(shí)間越短，因此可以通過調(diào)節(jié)電極的厚度來改變引信的瞬發(fā)度；

2)錐頭形狀的電極比圓頭形狀的電極瞬發(fā)度更高；

3)電極內(nèi)部進(jìn)行填充比空心情況下開關(guān)會(huì)更快閉合，即實(shí)心電極具有更好的瞬發(fā)度。