李來福，王雨時，聞泉

(南京理工大學機械工程學院，南京210094)

引信經(jīng)典后坐保險機構對過載時間的響應特性

李來福，王雨時，聞泉

(南京理工大學機械工程學院，南京210094)

為了優(yōu)化設計引信后坐保險機構的保險和解除保險性能，應用剛體動力學理論和仿真軟件ADAMS、LS－DYNA分析了引信經(jīng)典彈性后坐保險機構和剛性后坐保險機構對不同后坐過載作用時間的響應特性，得到了不同后坐過載時間下兩類后坐保險機構解除保險時間響應;兩類后坐保險機構不同的解除保險時間表明兩類保險機構對相同后坐環(huán)境響應特性不同;過載作用時間影響保險機構解除保險正確性;在后坐過載系數(shù)較大時，彈性保險機構和剛性保險機構均可能解除保險;在后坐過載系數(shù)較小時，無論過載作用時間如何變化，剛性保險機構均不能解除保險，而在過載作用時間較長時彈性保險機構會出現(xiàn)解除保險情況;因此，針對不同后坐過載作用時間應注意正確選擇引信保險機構的類型。

引信;系統(tǒng)設計;仿真;后坐保險;過載時間;彈性保險;剛性保險

引信后坐保險機構主要分為彈性后坐保險機構和剛性后坐保險機構。引信經(jīng)典單自由度彈性后坐保險機構和剛性剪切后坐保險機構結(jié)構簡單、性能可靠，廣泛地用于引信保險機構。

雖然引信單自由度彈性保險機構和剛性剪切保險機構結(jié)構簡單，但是目前未見有關于引信單自由度彈性后坐保險機構和剛性剪切保險機構對后坐過載作用時間響應特性的研究文獻，也未見有對比分析引信彈性后坐保險機構和剛性剪切后坐保險機構對后坐過載響應特性的文獻。文獻［1－2］只介紹了引信單行程保險機構運動特性及保險機構慣性件速度響應計算方法，并指出剪切銷保險機構的優(yōu)缺點及剪切銷常用材料。文獻［3］將引信雙自由度后坐保險機構等效為單自由度后坐保險機構，通過動態(tài)仿真研究了等效單自由度保險機構和雙自由度后坐保險機構的安全性和可靠性。文獻［4］通過試驗的方法研究了剪切銷動態(tài)抗剪強度在不同過載加載速率下的變化情況。文獻［5］設計了引信橫向不等徑、彈簧式和剪切銷式剪切裝置，并通過試驗對比其性能優(yōu)缺點。

以槍榴彈發(fā)射過載環(huán)境為背景，運用剛體動力學理論分析引信單自由度后坐保險機構對后坐過載的響應特性，并運用ADAMS和LS－DYNA分別仿真引信單自由度彈性后坐保險機構和剛性剪切后坐保險機構對不同后坐過載的響應過程，分析兩類引信保險機構對不同過載作用時間響應的差異，為正確選用引信后坐保險機構提供參考。

1 引信兩類后坐保險機構

1.1 單自由度彈性后坐保險機構

某槍榴彈引信單自由度后坐保險機構如圖1所示。該單自由度彈性后坐保險機構主要由慣性筒1、保險球2、引信體3、慣性簧4等組成。其中慣性筒1是保險件，保險球2是被保險件，引信體3是結(jié)構件，慣性簧4是抗力件。其作用原理如下:

圖1 單自由度彈性后坐保險機構

引信勤務處理階段意外跌落時，慣性筒受到跌落沖擊力的作用。跌落初始時刻，較小的沖擊力不足以使慣性筒運動，慣性筒在彈簧抗力和引信體對慣性筒的反作用力作用下保持平衡。當沖擊力增大到一定程度超過彈簧抗力時，慣性筒相對于引信體開始向下運動。隨著慣性筒進一步壓縮彈簧，彈簧抗力逐漸增大。由于跌落作用時間較短，故慣性筒在釋放保險球前就開始回彈，從而保證勤務處理安全。

引信發(fā)射時慣性筒受后坐力作用。開始時刻，較小的后坐力不足以使慣性筒運動。隨著后坐力增大到一定數(shù)值后，慣性筒開始運動。慣性筒向下運動到某個位置時，釋放作為被保險件的保險球，此時后坐保險機構解除保險。

對圖1單自由度彈性后坐保險機構進行物理模型簡化，假設:把彈性后坐保險機構看作一個理想無阻尼振動系統(tǒng);認為機構運動過程中彈簧剛度系數(shù)保持不變;只考慮保險機構的垂直運動，忽略其擺動的影響。

上述保險機構力學簡化模型如圖2所示，圖2中m為慣性筒等效質(zhì)量;k為彈簧剛度系數(shù)。

圖2 彈性后坐保險機構慣性筒運動前的力學簡化模型

彈性后坐保險機構受到?jīng)_擊激勵后，逐漸打破機構受力平衡。慣性筒受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 彈性后坐保險機構慣性筒受力

在后坐過載開始作用階段，慣性筒受彈簧反作用力N、引信體對慣性筒的反作用力F1和后坐過載作用力F的共同作用而保持靜止，因其受力平衡得:

式(2)中:x為慣性筒響應位移;t為后坐過載作用時間;a(t)為后坐過載加速度;F為慣性筒所受后坐力;k1為彈簧的剛度系數(shù);λ為彈簧裝配時的預壓量;N為彈簧抗力;m為等效質(zhì)量:慣性筒質(zhì)量m1與三分之一彈簧質(zhì)量m2的質(zhì)量和，即

一般彈丸跌落和發(fā)射時后坐加速度曲線為單波峰曲線。為簡化分析，以半周期正弦后坐過載近似作為后坐過載激勵，研究慣性筒位移隨過載系數(shù)和過載作用時間小的響應規(guī)律;當過載系數(shù)為k、作用時間為t時，后坐過載加速度a=kg設后坐過載激勵作用時間為正弦周期的一半，即因此隨著后坐過載的增大，在t0時刻后坐過載大小等于彈簧反作用力，此時F1=0，N= F，則

因此，在0≤t≤t0時，慣性筒位移x=0。

當t＞t0時慣性筒開始運動，建立解除保險運動過程中慣性筒運動微分方程如下:

整理式(3)得:

對式(4)求解，得慣性筒位移響應:

將t=t0時，x=0、˙x=0的初始條件帶入式(5)求出C1和C2:

只有在后坐過載對慣性筒的作用時間t≥t0時，慣性筒才開始運動響應。而慣性筒位移響應解析表達式復雜，難以直觀看出后坐過載環(huán)境參數(shù)周期T和過載系數(shù)k的影響規(guī)律。

1.2 剛性剪切后坐保險機構

某槍榴彈引信剛性剪切后坐保險機構主要由剪切銷、慣性筒和保險球等組成，其中保險球為被保險件，慣性筒為保險件，剪切銷為抗力件，引信體為結(jié)構件，結(jié)構如圖4所示。

圖4 剛性剪切后坐保險機構

彈丸發(fā)射時，在后坐過載作用下剪切銷很快被剪斷，慣性筒釋放，然后慣性筒在后坐過載作用下運動，運動一定位移后釋放保險球，接著保險球又釋放其被保險件。

剛性后坐保險機構主要受力元件為剪切銷。發(fā)射過程中剪切銷受力較復雜，會受到壓縮、彎曲、拉伸、剪切等多種形式的力的綜合作用。對其進行理論分析較困難，因此通過仿真手段分析不同后坐過載作用時間下剛性剪切保險機構中慣性筒位移響應。

2 彈性后坐保險機構對后坐過載響應數(shù)值仿真

2.1 彈性保險機構對后坐過載響應仿真模型

運用ADAMS軟件仿真分析彈性后坐保險機構對后坐過載作用時間及過載系數(shù)的響應。建立的仿真模型如圖5所示。初始裝配狀態(tài)下彈簧有預壓縮，引信體限制慣性筒上位移，慣性筒相對靜止。定義慣性筒模型質(zhì)量，在慣性筒與下?lián)鯄K之間建立彈簧;對上擋塊和下?lián)鯄K施加約束，將其固定于groud(地面);設定彈簧預壓載荷和彈簧剛度以及裝配狀態(tài)下的彈簧長度;ADAMS中不能設定彈簧質(zhì)量，但彈簧質(zhì)量較輕，可以忽略。彈性后坐保險機構結(jié)構參數(shù)如表1所列。

圖5 單自由度彈性后坐保險機構仿真模型

表1 彈性后坐保險機構參數(shù)

當后坐過載系數(shù)為30 000、作用時間為150μs時，所對應的后坐過載系數(shù)曲線如圖6所示。其他不同作用時間、不同過載系數(shù)的后坐過載曲線與此類似。

圖6 按正弦規(guī)律簡化的半周期后坐過載系數(shù)曲線

施加在慣性筒質(zhì)心上的后坐過載函數(shù)為

式(6)中:k為后坐過載系數(shù);m為慣性筒質(zhì)量;g為重力加速度;t為后坐過載作用時間;d*time為ADAMS“角度制”算法標志。

2.2 彈性保險機構對后坐過載響應仿真結(jié)果

引信設計慣性筒位移達到9.95 mm時釋放保險球，后坐保險機構解除保險。下面以后坐過載系數(shù)為30 000、作用時間為0.6 ms時的仿真為例來說明慣性筒運動過程。慣性筒運動位移狀態(tài)變化如圖7所示。

從圖7可看出，慣性筒位移隨著后坐激勵的增大而增大，并且增大幅度先是逐漸增大，然后逐漸減小;慣性筒在0.36 ms時達到最大位移。此時后坐保險機構解除保險。

不同后坐過載下彈性保險機構解除保險時間仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所列。

將表2列出的部分解除保險時間仿真結(jié)果代入式(5)得慣性筒位移，以驗證仿真結(jié)果，如表3所列。

慣性筒位移響應仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果較為一致，仿真結(jié)果可信。誤差原因是仿真時忽略了彈簧質(zhì)量。

由圖7和表2可以得出:當相同作用時間的過載激勵施加于慣性筒上時，后坐過載系數(shù)越大，慣性筒位移響應越快，后坐保險機構解除保險時間越短;當過載系數(shù)相同而過載作用時間不同的過載激勵施加在慣性筒上時，過載作用時間越長，慣性筒位移開始響應時刻越滯后，慣性筒運動相同位移所用時間越長，后坐保險機構解除保險所用時間也越長;在過載作用時間較長時，相比于后坐過載系數(shù)大小，彈性保險機構對后坐過載作用時間更敏感。

圖7 彈性后坐保險機構慣性筒位移狀態(tài)

表2 彈性后坐保險機構解除保險時間仿真結(jié)果ms

表3 慣性筒位移響應仿真結(jié)果驗證

3 剛性剪切保險機構對后坐過載響應數(shù)值仿真

3.1 剛性保險機構有限元仿真模型

由于剛性剪切保險機構中剪切銷受力復雜，且剪切銷變形屬于大變形，故運用LS－DYNA仿真后坐過載作用下的慣性筒對剪切銷的剪切過程。簡化仿真模型如圖8所示。

仿真時以cm·g·μs為基本單位，使用布爾運算對模型進行分割，并使用SOLID164實體單元掃掠劃分網(wǎng)格，將上述后坐過載分別施加于慣性筒上。對模型添加對稱約束，在引信體底面施加固定約束。

圖8 引信剛性剪切保險機構1/4仿真模型

3.2 材料模型

引信體材料取7A04鋁合金。慣性筒材料取45鋼。剪切銷材料取HPb63－3Y銅合金。將7A04鋁合金、45鋼和HPb63－3Y銅合金的材料模型均定義為“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”，各材料模型主要參數(shù)如表3所列。

表3 各材料模型主要參數(shù)［6－8］

3.3 剛性保險機構對后坐過載響應仿真結(jié)果

在ANSYS/LS－DYNA中對模型施加約束條件、施加載荷并設置求解參參數(shù)，運用LS－DYNA求解器求解運算，并在LS－PREPOST中查看數(shù)值仿真結(jié)果。

剪切銷剪斷時間、后坐保險解除保險時間(慣性筒運動位移9.95 mm的時間)仿真結(jié)果如表4所列(在此假設剪切銷剪斷仍未解除保險，只有慣性筒位移9.95 mm之后才解除保險)。

表4 剪切銷剪斷時間/解除保險時間μs

由表4可以看出在過載系數(shù)為3 000和10 000時，剪切銷均沒有被剪斷，后坐保險也沒有解除保險。在過載系數(shù)為20 000和30 000時，對應7種作用時間，剪切銷均被剪斷，但是在過載系數(shù)為20 000、作用時間為0.15ms和0.3ms，以及在過載系數(shù)為30 000、作用時間為0.15ms時，后坐保險沒有解除。同時也可以看出:當過載系數(shù)相同而過載作用時間不同的過載激勵施加在慣性筒上時，過載作用時間越長，慣性筒位移開始響應時間越長，后坐保險機構解除保險所用時間也越長;過載系數(shù)相同而過載作用時間不同的過載激勵施加在慣性筒上時，過載作用時間越長，慣性筒對剪切銷剪斷作用時間越長，解除后坐保險的時間也越長;過載作用時間相同情況下，過載系數(shù)越大，剪切銷剪斷時間越短，解除后坐保險時間也越短。

4 兩類后坐保險機構對后坐過載響應對比

對比分析彈性后坐保險機構和剛性后坐保機構險解除保險時間仿真結(jié)果，如表5所列。

表5 兩類后坐保險機構解除保險時間μs

由表5可以看出:

1)剛性保險機構比彈性保險機構更易識別后坐過載極值，例如剛性保險機構在過載系數(shù)為30 00和10 000時均沒有解除保險，而在相同過載系數(shù)下，過載作用時間較長時，彈性保險機構解除保險;

2)相同過載時間下，兩類保險機構響應不同;當后坐過載能使保險機構解除保險且過載作用時間較長時，剛性保險機構比彈性保險機構解除保險時間長，例如在過載系數(shù)為20 000、過載作用時間0.60～9.60 ms時，對應的彈性保險機構解除保險時間分別為410μs、500μs、610μs、750μs、1 050 μs，而此時剛性保險機構解除保險時間分別為459μs、694 μs、981μs、1530μs、2646μs。由于后坐保險機構類型和原理不同，所以兩類后坐保險機構解除保險時間對比沒有意義。而之所以解除保險時間隨后坐過載時間的增長而增長，是因為過載曲線形狀未變，上升段變得平緩而峰值時間滯后了。

5 結(jié)論

通過對比引信彈性后坐保險機構和引信剛性后坐保險機構解除保險時間，可以看出兩類保險機構對相同后坐環(huán)境響應不同。針對不同的發(fā)射環(huán)境，設計上應注意優(yōu)選引信后坐保險機構原理和類型。槍榴彈等發(fā)射過載作用時間較短的彈道場合，引信彈性后坐保險機構可能難以響應而不能可靠解除保險，引信剛性剪切后坐保險機構更適合選用。后坐過載作用時間對引信彈性后坐保險機構和剛性后坐保險機構解除保險正確性影響較大。

［1］GJB/Z 135—2002，引信工程設計手冊［S］.

［2］《引信設計手冊》編寫組編著.引信設計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1978.

［3］王孝福，尚雅玲，倪保航.引信單雙自由度后坐保險機構性能分析［J］.四川兵工學報，2011，32(6):33－36.

［4］范存杰.用火箭法求剪切銷動態(tài)抗剪強度的試驗研究［J］.彈箭與制導學報，1995(4):62－65.

［5］王聰，楊衛(wèi)，閆俊杰.一種新的剪切裝置的設計［J］.機械設計與制造，2009(7):36－38.

［6］《工程材料實用手冊》編輯委員會編.工程材料實用手冊(第二版第1卷·結(jié)構鋼不銹鋼)［M］.北京:中國標準出版社，2001.

［7］《工程材料實用手冊》編輯委員會.工程材料實用手冊(第二版第4卷·鈦合金銅合金)［M］.北京:中國標準出版社，2001.

［8］《中國航空材料手冊》編輯委員會編.中國航空材料手冊(第二版第3卷·鋁合金鎂合金)［M］.北京:中國標準出版社，2001.

(責任編輯周江川)

Response of Classic Setback Arm ing Devices to Setback Environment

LILai－fu，WANG Yu－shi，WEN Quan
(School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China)

For optimizing the performance of fuze setback device，rigid body dynamics theory was used to analyze the responses of fuze single freedom elastic setback arming device to different setback overloads，ADMAS and LS－DYNA were used to simulate the responses of fuze elastic setback arming device and rigid setback arming device to different setback overloads.The simulation results of arming time demonstrate that the two types of devices have different responses to same setback environment，and overload time affects the correctness of device arming.The two types of arming device can arm possibly when the setback overload factor is big relatively.The rigid arming device can not arm possibly when the setback overload factor is small relatively nomatter how the setback overload action time changing，while the elastic setback arming device can arm with long setback overload action time.Therefore the species of fuze setback arming device should be correctly selected specially.

fuze;system design;simulation;setback arming device;overload time;elastic arming device;rigid arming device

:A

1006－0707(2014)07－0147－06

format:LILai－fu，WANG Yu－shi，WEN Quan.Response of Classic Setback Arming Devices to Setback Environment［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):147－152.

本文引用格式:李來福，王雨時，聞泉.引信經(jīng)典后坐保險機構對過載時間的響應特性［J］.四川兵工學報，2014(7): 147－152.

10.11809/scbgxb2014.07.041

2014－02－24

武器裝備預先研究項目(51305040401)。

李來福(1989—)，男，碩士研究生，主要從事引信設計研究。

TJ431.1