劉　鵬,王雨時(shí),聞　泉,張志彪

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

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彈頭觸發(fā)引信防雨試驗(yàn)水柱靶仿真

劉鵬,王雨時(shí),聞泉,張志彪

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

為了研究彈頭觸發(fā)引信防雨試驗(yàn)中采用的人工水柱靶與自然雨滴的等效性,通過(guò)數(shù)值仿真軟件,應(yīng)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法和有限元法耦合方法,仿真了不同觸發(fā)區(qū)直徑的彈頭觸發(fā)引信內(nèi)凹和外凸觸發(fā)機(jī)構(gòu)分別撞擊雨滴及其質(zhì)量等效水柱靶的過(guò)程,得到了撞擊過(guò)程中觸發(fā)區(qū)內(nèi)觸桿剪切凸臺(tái)最大剪切應(yīng)力的峰值、持續(xù)時(shí)間和波形。仿真結(jié)果表明,按質(zhì)量等效原則確定的人工水柱靶能夠較準(zhǔn)確地模擬自然雨滴撞擊引信觸發(fā)區(qū)過(guò)程,可用于彈頭觸發(fā)引信防雨性能試驗(yàn)考核。

彈頭引信;雨滴;人工雨場(chǎng);碰撞;數(shù)值仿真

為了確保全天候作戰(zhàn)效能,引信研制時(shí)需考核防雨性能[1-6],這對(duì)高速飛行的彈頭觸發(fā)引信尤其重要。靶場(chǎng)防雨試驗(yàn)方法基本上有3種:①自然雨場(chǎng)中射擊;②人工雨場(chǎng)中射擊;③對(duì)自然雨場(chǎng)等效物射擊。因自然雨場(chǎng)受氣候影響很大,時(shí)機(jī)難以掌控,再現(xiàn)性也較差,故用自然雨場(chǎng)進(jìn)行引信防雨性能試驗(yàn)可行性較小。用等效靶板試驗(yàn)引信防雨性能[7],涉及引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理,等效準(zhǔn)確性難以提高。與自然雨場(chǎng)相比,人工雨場(chǎng)可以控制和再現(xiàn)。美軍人工雨場(chǎng)是在靶道上設(shè)置多個(gè)噴頭,用噴頭中噴出的水滴來(lái)模擬自然雨場(chǎng),調(diào)節(jié)噴頭的噴孔直徑大小、密度和水壓來(lái)控制雨強(qiáng)和雨滴密度[8]。但是這種人工雨場(chǎng)占地較大(靶道長(zhǎng)約300～900m),并且必須選擇在充裕水源附近,因此未見(jiàn)得到普遍應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]中使用的人工雨場(chǎng)采用水簾靶和水柱靶2種等效方式,按質(zhì)量等效原則來(lái)代替自然雨滴進(jìn)行試驗(yàn)。水簾靶等效雖簡(jiǎn)單,但水簾下落速度低,受風(fēng)速影響較大使水簾厚度不穩(wěn)定;而水柱靶等效時(shí),引信頭部觸發(fā)區(qū)撞擊受力狀況和過(guò)程與自然雨滴的更為接近。本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上借助有限元仿真軟件,應(yīng)用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法和有限元法耦合方法,仿真彈頭觸發(fā)引信觸發(fā)區(qū)所受雨滴及其質(zhì)量等效水柱的撞擊過(guò)程,從而評(píng)估和論證水柱靶對(duì)自然雨滴的等效情況。

1　水柱和水滴的質(zhì)量等效關(guān)系

水柱靶通過(guò)噴孔由重力形成。噴孔暨水柱為多排交錯(cuò)布局。假設(shè)引信頭部觸發(fā)區(qū)與水柱的碰撞過(guò)程中總有一次完全對(duì)中碰撞或近似對(duì)中碰撞。忽略有可能出現(xiàn)的多次偏心碰撞,只考慮對(duì)中或近似對(duì)中碰撞,如圖1所示。等效雨滴質(zhì)量的水柱直徑與引信頭部觸發(fā)區(qū)直徑有關(guān)。因雨滴的密度基本恒定,故只要保證雨滴和其質(zhì)量等效水柱在引信頭部觸發(fā)區(qū)內(nèi)的水的體積相同即可。典型大暴雨直徑為5～6mm。取雨滴直徑為5.6mm。觸發(fā)區(qū)截取雨滴和水柱體積的數(shù)學(xué)模型如圖2和圖3所示,圖中,ra為觸發(fā)區(qū)半徑,rc為雨滴半徑,rb為等效水柱半徑。

圖1　引信撞擊水柱和雨滴

(1)

式中:r為柱坐標(biāo)系中的圓柱面半徑。

圖2　引信觸發(fā)區(qū)撞擊雨滴時(shí)的截取區(qū)數(shù)學(xué)模型

圖3　引信觸發(fā)區(qū)撞擊水柱時(shí)的截取區(qū)八分之一數(shù)學(xué)模型

(2)

假定觸發(fā)區(qū)雨水質(zhì)量為m,按質(zhì)量等效原則,令V1=V2,即可求得等效水柱的直徑2rb。式(2)中的表達(dá)式不可積,只能求數(shù)值解。利用Matlab軟件求解引信觸發(fā)區(qū)直徑不同時(shí)與直徑5.6mm雨滴質(zhì)量等效的水柱直徑,結(jié)果如表1所示。

表1　質(zhì)量等效直徑5.6 mm雨滴的模擬水柱直徑

2　仿真模型

采用文獻(xiàn)[9]中仿真假設(shè)、模型、方法和參數(shù)建模,引信防雨研究所用的頭部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示。雨滴與水柱2種有限元仿真模型如圖5所示。引信體和觸桿材料取45#鋼。

圖4　頭部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

3　仿真結(jié)果與分析

對(duì)雨滴和相應(yīng)的質(zhì)量等效水柱在各種撞擊速度下進(jìn)行仿真分析,通過(guò)比較觸桿剪切凸臺(tái)的剪切應(yīng)力來(lái)分析雨滴和水柱對(duì)引信的撞擊作用。圖6給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結(jié)構(gòu)以300m/s的撞擊速度撞擊水柱靶的仿真效果。圖7給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結(jié)構(gòu)以不同速度撞擊目標(biāo)時(shí)觸桿受到的剪切應(yīng)力τ與時(shí)間t的關(guān)系曲線(xiàn)。觸桿直徑2ra=4mm,8mm,10mm的外凸結(jié)構(gòu)以各種速度撞擊目標(biāo)時(shí)觸桿剪切凸臺(tái)受到的最大剪切應(yīng)力曲線(xiàn)與圖7相似,即撞擊雨滴與撞擊水柱應(yīng)力曲線(xiàn)相近。對(duì)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的仿真也得出了此結(jié)論。仿真結(jié)果如表2至表5所示,表中,v為撞擊速度,τmax為最大剪切應(yīng)力,δ為相對(duì)誤差。

圖6　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結(jié)構(gòu)撞擊水柱過(guò)程(v=300 m/s)

圖7　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結(jié)構(gòu)圓臺(tái)處剪切應(yīng)力變化

v/(m·s-1)外凸結(jié)構(gòu)τmax/MPa水滴質(zhì)量等效水柱δ/%內(nèi)凹結(jié)構(gòu)τmax/MPa水滴質(zhì)量等效水柱δ/%300228.68203.63-10.95275.27218.60-20.59500349.08354.301.50530.90509.31-4.07800549.08542.34-1.23637.02655.692.931100590.17590.12-0.01694.50682.32-1.75

表3　觸桿直徑2ra=6 mm時(shí)仿真結(jié)果

表4　觸桿直徑2ra=8 mm時(shí)仿真結(jié)果

表5　觸桿直徑2ra=10 mm時(shí)仿真結(jié)果

表6　不同速度對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值

表7　不同觸桿直徑對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值

從表2～表5可看出,引信內(nèi)凹觸發(fā)結(jié)構(gòu)撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱時(shí),觸桿剪切凸臺(tái)處受到的最大剪切應(yīng)力大于外凸觸發(fā)結(jié)構(gòu)時(shí)受到的最大剪切應(yīng)力。當(dāng)引信撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱速度較小時(shí),無(wú)論是內(nèi)凹觸發(fā)結(jié)構(gòu)還是外凸觸發(fā)結(jié)構(gòu),撞擊雨滴和質(zhì)量等效水柱所產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力之間差異稍大,這可能是因?yàn)樗魏退囼?yàn)本身的邊界條件存在差異,當(dāng)速度較小時(shí),邊界條件影響較大使得飛濺過(guò)程不同。結(jié)合表6可看出,撞擊速度越大觸桿剪切凸臺(tái)處受到的最大剪切應(yīng)力相對(duì)誤差越小。由表7可知,當(dāng)觸發(fā)區(qū)直徑與雨滴直徑相差較小時(shí),質(zhì)量等效水柱模擬雨滴碰撞過(guò)程更為一致。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法和有限元法耦合方法對(duì)彈頭引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)撞擊雨滴及質(zhì)量等效水柱過(guò)程進(jìn)行有限元仿真分析,仿真結(jié)果表明,應(yīng)用水柱靶以質(zhì)量等效原則等效自然雨滴能夠較好地模擬雨滴對(duì)彈頭引信的碰撞過(guò)程,且撞擊所產(chǎn)生的作用力變化規(guī)律、峰值和持續(xù)時(shí)間基本相同,最大作用力差異在25%以?xún)?nèi)?？紤]到速度較小的彈丸,引信雨滴撞擊破壞作用較弱,故防雨意義不大;當(dāng)水柱靶用于速度較大(800m/s以上)彈丸引信防雨試驗(yàn)等效時(shí),相對(duì)誤差在7.5%以?xún)?nèi),因此按質(zhì)量等效原則使用水柱靶模擬自然雨滴進(jìn)行觸發(fā)引信防雨性能試驗(yàn)是可行的。

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SimulationofWaterColumnTargetinRainproofTestforPointDetonatingFuze

LIUPeng,WANGYu-shi,WENQuan,ZHANGZhi-biao

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Inordertostudytheequivalenceofartificialrainwatercolumntargetandnaturalraindropforpointdetonatingfuzerainprooftest,theSPH(smoothedparticlehydrodynamics)andfiniteelementcouplingmethodwasappliedtothefiniteelementsimulationanalysisbynumericalsimulationsoftware,andtheprocessesofconcaveandconvextriggermechanismofdifferenttrigger-zone-diameterpointdetonatingfuzerespectivelyimpactingtheraindropsandmassequivalentwatercolumntargetsweresimulated.Thepeak,durationandwaveformofmaximumshearstressoftriggerrodshearfrontduringtheimpactprocesswereobtained.Simulationresultsshowtheartificialmassequivalentwatercolumntargetcanaccuratelysimulatetheprocessesoffuzetriggerzoneimpactingnaturalraindrop,anditcanbeappliedtopointdetonatingfuzeperformancetestassessment.

pointdetonatingfuze;raindrop;artificialrainfield;collision;numericalsimulation

2015-07-21

劉鵬(1991- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橐偶皬椝幙傮w技術(shù)。E-mail:skiy906@163.com。

王雨時(shí)(1962- ),男,教授,研究方向?yàn)橐偶夹g(shù)。E-mail:wyshi204@163.com。

TJ430.1

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1004-499X(2016)01-0076-05