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        某彈引信體爆破應(yīng)力分析

        2014-05-14 01:49:34白亞瓊
        天津科技 2014年4期
        關(guān)鍵詞:頸部西安載荷

        白亞瓊,師 平

        (西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安閻良 710089)

        0 引 言

        由于加工及材料特性等原因,引信體表面及結(jié)構(gòu)內(nèi)部有可能會出現(xiàn)初始裂紋。本文根據(jù)有限元法和線彈性斷裂力學(xué)的基本理論,依據(jù) SliodWorks和ANSYS軟件,預(yù)測在引信體工作載荷下危險區(qū)域的裂紋。

        爆竹的火藥捻子是最早的引信。引信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括:發(fā)火控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、傳爆序列和能源裝置 4個基本部分。根據(jù)作用原理,引信可以分為觸發(fā)引信、非觸發(fā)引信和時間引信 3種類型,大都由擊針、火帽、雷管、傳爆藥和保險機構(gòu)等組成。本文研究的某引信體為觸發(fā)式,彈藥的部位在彈身引信,引信觸發(fā)后碰著物體即起爆。

        1 引信體的有限元模型

        本文以某彈引信體為例,由于炸藥在引信體結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸情況十分復(fù)雜,必須在實驗條件下對引信體的受力進行實測并找出峰值壓力。在相關(guān)條件缺乏的情況下,假設(shè)從炸藥爆炸瞬間到擊針脫離引信體這一過程中,爆炸未發(fā)生變化,且將子彈從發(fā)射到離開引信體看作勻加速運動,引信體材料為 45號冷拉圓鋼,HRC45-50,泊松比為 0.309。由于引信體是軸對稱結(jié)構(gòu),其中每個截面所受到的爆破應(yīng)力應(yīng)相等,故進行有限元計算時,取二分之一引信體為計算區(qū)域,該結(jié)構(gòu)的尺寸為φ18(彈尾)×φ9.4(彈頭)×3.5(厚度)mm,如圖 1所示。在有限元中采用 Solid45實體單元,通過自由網(wǎng)格劃分模型。劃分后的引信體如圖2所示。

        圖1 引信體三維模型Fig.1 3,D model of a fuze

        圖2 引信體網(wǎng)格劃分的模型Fig.2 Meshing mode of a fuze

        已知擊針變形時的最大壓力為160,kg,擊針的出口速度大約為 450,m/s。擊針在引信體中運動時所受的阻力 f等同于其變形時受到的壓力。擊針材料為45號鋼,HRC40-45,質(zhì)量為 0.11,g。

        擊針在引信體中的加速度:a=[(vt)2-(v0)2]/2,s=(vt)2/2,s=18,925,000,其中初始速度v0為零;

        引信體膛內(nèi)氣體壓力為:

        F=ma=10,500,000,N

        引信體膛內(nèi)最大氣體壓強為:

        p=F/S=24,MPa

        不考慮溫度和氣候的影響,引信體的載荷是對稱的,可以取其結(jié)構(gòu)的二分之一進行分析。由于要對其進行有限元靜態(tài)分析必須限制其自由度,所以引信體所受載荷的工作壓力為 24,MPa,施加于引信體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上。

        2 引信體模型應(yīng)力分析

        通過對圖3和圖4所示內(nèi)容的分析,可以準(zhǔn)確地確定最大應(yīng)力的值和出現(xiàn)的位置,這些最大值見表1。由圖3和圖4可以看出,在引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)應(yīng)力變形最大,但其并不影響擊針的正常發(fā)射;而引信體前端的變形非常小,此處為引信體的重要部分。如果該部分應(yīng)力超過許用應(yīng)力值就會產(chǎn)生斷裂,直接影響擊針的正常發(fā)射。

        圖3 引信體的最大拉應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of a fuze’s Max. tension stress

        圖4中,引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)所受到的等效應(yīng)力最大,此處為引信體的應(yīng)力集中地帶。查閱《合金鋼手冊》,45號鋼的強度極限為 608,MPa。很明顯,引信體等效應(yīng)力大于極限應(yīng)力,因此引信體在爆破應(yīng)力作用下十分容易斷裂。要避免引信體的斷裂,就必須避免此處的應(yīng)力集中情況??梢酝ㄟ^增大引信體壁厚或調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓角大小,減少引信體受到的爆破應(yīng)力,但這些措施只是初級手段,尚需進一步研究。

        圖4 依據(jù)第三強度理論的等效應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of equivalence stress in accordance with the 3 rd strength theory

        表1 引信體的三維模型應(yīng)力計算結(jié)果Tab.1 Stress calculation results of a fuze’s 3,D model

        3 結(jié) 論

        運用 ANSYS對引信體進行爆破應(yīng)力分析可知,引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)所受的等效應(yīng)力最大,斷裂處從這里開始。因此,要避免引信體發(fā)生斷裂,必須避免應(yīng)力在此處集中,具體措施可以是增大引信體壁厚或調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓角大小。

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