徐蓬朝,郁 銳,聶 崢,黃惠東

(1 西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,西安 710065;2 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

?

基于過(guò)載-超壓耦合法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

徐蓬朝1,郁 銳2,聶 崢1,黃惠東1

(1 西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,西安 710065;2 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

針對(duì)串聯(lián)攻堅(jiān)彈前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸時(shí),后級(jí)引信會(huì)承受過(guò)載和沖擊波超壓場(chǎng)雙重環(huán)境的作用和影響,提出基于過(guò)載-超壓耦合法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法。該方法通過(guò)建立后級(jí)引信的過(guò)載-超壓耦合有限元模型,并施加過(guò)載-超壓耦合載荷計(jì)算后級(jí)引信結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變,分析和校核引信的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于過(guò)載-超壓耦合法的仿真分析結(jié)果與靶場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相近,該方法可用于后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和校核。

串聯(lián)攻堅(jiān)彈;后級(jí)引信;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;耦合算法

0 引言

對(duì)于串聯(lián)攻堅(jiān)彈,前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部爆轟會(huì)對(duì)隨進(jìn)彈及引信產(chǎn)生較高的沖擊過(guò)載[1],這是計(jì)算和校核后級(jí)引戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須考慮的環(huán)境因素。目前,大多數(shù)文獻(xiàn)主要集中于對(duì)前級(jí)戰(zhàn)斗部爆轟過(guò)載單一條件下后級(jí)引戰(zhàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析和研究。文獻(xiàn)[2]計(jì)算和分析了前級(jí)爆轟過(guò)載單一條件下隨進(jìn)彈及引信承受的壓力并校核了彈體、引信的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;文獻(xiàn)[3]計(jì)算和分析了前級(jí)爆轟沖擊過(guò)載單一條件下后級(jí)引信內(nèi)部元器件、零部件應(yīng)力、應(yīng)變等物理量,校核了后級(jí)引信部分機(jī)芯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)時(shí),在距離前級(jí)爆心8 m處放置的傳感器測(cè)得自由場(chǎng)超壓達(dá)到0.085～0.11 MPa。經(jīng)驗(yàn)[4]認(rèn)為,當(dāng)超壓ΔP>0.05 MPa時(shí),可破壞各種輕型兵器和引爆地雷。前級(jí)爆轟條件下產(chǎn)生的超壓場(chǎng)也會(huì)對(duì)后級(jí)引信造成一定的沖擊、損壞,因此,對(duì)于串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)引信來(lái)說(shuō),在計(jì)算和分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)須考慮前級(jí)爆炸產(chǎn)生的過(guò)載、超壓場(chǎng)雙重環(huán)境的作用和影響。目前,對(duì)前級(jí)爆轟條件下產(chǎn)生的沖擊過(guò)載、超壓場(chǎng)雙重環(huán)境耦合作用下對(duì)后級(jí)引信殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算、分析和研究尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo),文中提出基于過(guò)載-超壓耦合法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

1 超壓場(chǎng)及耦合分析方法介紹

1.1 超壓場(chǎng)介紹

對(duì)于串聯(lián)攻堅(jiān)彈,聚能戰(zhàn)斗部的主要作用是爆炸形成射流對(duì)目標(biāo)進(jìn)行開(kāi)孔,同時(shí)前級(jí)戰(zhàn)斗部爆轟場(chǎng)環(huán)境也會(huì)對(duì)隨進(jìn)彈、引信產(chǎn)生一定的影響。前級(jí)爆炸示意圖如圖1所示[5]。

圖1 前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸示意圖

前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)會(huì)迅速釋放高溫、高壓火球并急劇向大氣空間膨脹,產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊波超壓。超壓的峰值取決于炸藥的爆炸威力和距爆心的距離,球形裝藥在無(wú)限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí),沖擊波超壓可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算[6]:

(1)

式中:ΔP為沖擊波波陣面上的超壓(MPa);me為梯恩梯當(dāng)量(kg);R為距爆心的距離(m)。

1.2 耦合分析方法

耦合法是指考慮了兩種或多種工程物理場(chǎng)之間相互作用的分析方法。目前,大多數(shù)有限元分析軟件具備多物理場(chǎng)耦合分析功能。耦合分析方法可分為兩類(lèi):順序耦合、直接耦合。順序耦合分析是指以特定的順序求解單個(gè)物理場(chǎng)的耦合分析方法,將前一個(gè)分析結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加,主要用于物理場(chǎng)間單向耦合分析。直接耦合分析是指通過(guò)使用包含多個(gè)物理場(chǎng)自由度的耦合單元,對(duì)多個(gè)物理場(chǎng)自由度同時(shí)計(jì)算,利用一次分析就可以直接求得結(jié)果[7-9]。

有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA于1976年在美國(guó)開(kāi)發(fā)完成,經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)不斷改進(jìn),在武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)彈道和終點(diǎn)彈道、軍用材料研制等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。它能夠較好的模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜性問(wèn)題,特別適合求解各種二維、三維非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸以及金屬成型等非線(xiàn)性動(dòng)力沖擊問(wèn)題,同時(shí)LS-DYNA軟件擁有彈丸、引信等常用的材料模型及對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程[10-11]。

2 基于過(guò)載超壓耦合法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部爆轟場(chǎng)環(huán)境對(duì)后級(jí)引信結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生影響的物理場(chǎng)主要包括過(guò)載和超壓兩種環(huán)境。較高的過(guò)載會(huì)對(duì)后級(jí)引信零部件、元器件造成破壞;前級(jí)爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓作用于引信的蓋板、殼體等結(jié)構(gòu)件也會(huì)造成一定的變形,甚至失效。

文中提出了基于過(guò)載-超壓耦合算法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算,過(guò)載-超壓耦合法采用直接耦合分析方法。在進(jìn)行過(guò)載-超壓場(chǎng)耦合分析時(shí),基本假設(shè):

1)不考慮前級(jí)爆轟時(shí)產(chǎn)生的熱及電磁輻射對(duì)引戰(zhàn)系統(tǒng)的影響;

2)過(guò)載及超壓場(chǎng)具有雙向?qū)ΨQ(chēng)性;

3)材料各向同性假設(shè),同一種材料內(nèi)任一點(diǎn)在各個(gè)方向上具有相同的性質(zhì);

4)考慮各種結(jié)構(gòu)的損傷、變形或破壞,結(jié)構(gòu)破壞符合Von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則;

5)忽略空氣阻力對(duì)引戰(zhàn)系統(tǒng)的影響。

主要計(jì)算分析方法如下:

1)建立后級(jí)引信的過(guò)載-超壓耦合有限元模型。過(guò)載有限元模型和超壓有限元模型應(yīng)具有相互兼容型,兩者耦合之后均不會(huì)對(duì)對(duì)方的計(jì)算、分析結(jié)果造成影響。

2)對(duì)過(guò)載-超壓耦合有限元模型施加耦合邊界條件。

3)對(duì)耦合有限元模型施加過(guò)載-超壓載荷。過(guò)載載荷加載到模型所有節(jié)點(diǎn)組成的組元上,而超壓載荷僅作用于引信蓋板、殼體指定的表面上。

4)設(shè)置求解控制參數(shù),對(duì)耦合有限元模型進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

基于過(guò)載-超壓耦合算法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 過(guò)載-超壓耦合算法原理圖

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

仿真計(jì)算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,建模過(guò)程采用cm-g-μs單位制,數(shù)值模型主要由后級(jí)戰(zhàn)斗部、后級(jí)引信、連接螺釘、連接尾螺等部分組成,網(wǎng)格單元是六面體SOLID 164單元,引信有限元模型如圖3所示。

戰(zhàn)斗部、連接螺釘材料模型為JOHNSON-COOK,狀態(tài)方程為GRUNEISEN;引信蓋板、殼體等采用超硬鋁7A04-T6,材料模型為PLASTIC_KINEMATIC。主要材料的部分參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 單一過(guò)載環(huán)境仿真分析

前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部爆轟會(huì)對(duì)隨進(jìn)彈及引信產(chǎn)生較高的沖擊過(guò)載,根據(jù)以往的測(cè)試數(shù)據(jù)可知:前級(jí)戰(zhàn)斗部在靜態(tài)起爆條件下,后級(jí)引信的過(guò)載峰值可達(dá)15 000g以上,持續(xù)時(shí)間較短,在微秒量級(jí),如圖4所示。對(duì)實(shí)測(cè)的過(guò)載曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理、變換后,將其作為輸入條件加載到數(shù)值模型所有節(jié)點(diǎn)組成的組元上,進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 后級(jí)引信有限元模型

材料密度ρ/(g·cm-3)彈性模量E/GPa屈服強(qiáng)度σy/MPa泊松比μ試驗(yàn)彈7852101275031引信蓋板、殼體280110625033配重件A300110325033配重件B365110325033連接螺釘785207375030尾螺785207525030

圖4 實(shí)測(cè)的后級(jí)引信過(guò)載曲線(xiàn)

仿真計(jì)算時(shí)間為1.0 ms,每2 μs輸出一次計(jì)算結(jié)果文件。計(jì)算結(jié)束后,引信結(jié)構(gòu)件峰值應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 引信結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力云圖

在前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部爆轟沖擊過(guò)載作用下,引信結(jié)構(gòu)件發(fā)生了一定的應(yīng)力、應(yīng)變。由于戰(zhàn)斗部約束了引信殼體、連接螺釘?shù)鹊妮S向位移,引信結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)生在蓋板上。由圖5可以看出,引信峰值應(yīng)力位于蓋板周向邊緣,最大應(yīng)力549.1 MPa,出現(xiàn)在408 μs時(shí)刻。引信蓋板材料為超硬鋁7A04-T6,材料屈服強(qiáng)度大于625 MPa,因此,在單一過(guò)載環(huán)境下,引信結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生塑性變形。

3.2 過(guò)載超壓耦合算法仿真分析

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出后級(jí)引信位置處的沖擊波超壓峰值約為0.26 MPa。假設(shè)前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸場(chǎng)地為自由空間,則沖擊波波形即P-t曲線(xiàn)如圖6所示[12]。根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果,將P-t曲線(xiàn)作為沖擊波超壓載荷的輸入條件。

圖6 自由空間中的P-t曲線(xiàn)

計(jì)算分析采用過(guò)載-超壓耦合算法,對(duì)耦合有限元模型施加過(guò)載-超壓耦合載荷,過(guò)載載荷加載到模型所有節(jié)點(diǎn)組成的組元上,而沖擊波超壓載荷僅作用于引信蓋板、殼體及螺釘?shù)戎付ǖ谋砻嫔?過(guò)載-超壓耦合載荷加載方向?yàn)閺楏w軸向,即彈尾法向。根據(jù)應(yīng)力波在彈體介質(zhì)中的傳播規(guī)律及爆轟波在空氣介質(zhì)的傳播規(guī)律可以確定過(guò)載-超壓耦合載荷的加載時(shí)序。

仿真計(jì)算時(shí)間為1.0 ms,每2 μs輸出一次計(jì)算結(jié)果文件。計(jì)算結(jié)束后,引信結(jié)構(gòu)件峰值應(yīng)力云圖如圖7所示。

在過(guò)載-超壓耦合載荷作用下,引信結(jié)構(gòu)件發(fā)生了較大的應(yīng)力、應(yīng)變。由于戰(zhàn)斗部約束了引信殼體、連接螺釘?shù)鹊妮S向位移,引信結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力、應(yīng)變位置發(fā)生在引信蓋板上。由圖7可以看出,引信峰值應(yīng)力位于蓋板周向邊緣,最大應(yīng)力1240.0 MPa,出現(xiàn)在426 μs時(shí)刻,其工作應(yīng)力遠(yuǎn)大于蓋板材料屈服強(qiáng)度。因此,在過(guò)載-超壓耦合環(huán)境下,引信蓋板會(huì)發(fā)生塑性變形,甚至破壞、失效。

圖7 引信結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力云圖

綜上,仿真計(jì)算結(jié)果表明后級(jí)引信結(jié)構(gòu)件在前級(jí)戰(zhàn)斗部爆轟場(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)載-超壓耦合環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形,甚至破壞、失效,這會(huì)對(duì)后級(jí)引信的發(fā)火可靠性產(chǎn)生一定的影響。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

外場(chǎng)靜態(tài)起爆試驗(yàn)嚴(yán)格按照?qǐng)D3所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后級(jí)引信,試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸將后級(jí)戰(zhàn)斗部放置于前級(jí)聚能戰(zhàn)斗部后端,后級(jí)引信依靠8枚螺釘與戰(zhàn)斗部可靠連接,其中,后級(jí)引信為測(cè)試引信,試驗(yàn)數(shù)量3發(fā)。

試驗(yàn)時(shí),靜態(tài)起爆前級(jí)戰(zhàn)斗部。試驗(yàn)后,回收后級(jí)試驗(yàn)彈并拆卸引信,其中2發(fā)引信蓋板邊緣出現(xiàn)裂紋,變形較為嚴(yán)重,另外1發(fā)引信蓋板完全斷裂,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)后后級(jí)引信結(jié)構(gòu)變形情況表

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在前級(jí)戰(zhàn)斗部爆轟場(chǎng)環(huán)境下,3發(fā)后級(jí)引信殼體、機(jī)芯配重件等結(jié)構(gòu)件保持結(jié)果完好,而蓋板均出現(xiàn)了不同程度的破壞性塑性變形,2發(fā)蓋板頂部出現(xiàn)周向裂紋,1發(fā)蓋板完全斷裂,如圖8所示。由3.2節(jié)計(jì)算分析結(jié)果可知,在過(guò)載-超壓耦合環(huán)境下,引信蓋板的工作應(yīng)力遠(yuǎn)大于其材料屈服強(qiáng)度,引信蓋板會(huì)發(fā)生塑性變形,甚至破壞、失效。

圖8 試驗(yàn)后回收引信照片

3發(fā)外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明:靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)后級(jí)引信結(jié)構(gòu)件失效、變形情況與過(guò)載-超壓耦合法計(jì)算分析結(jié)果相近。因此,在設(shè)計(jì)后級(jí)引信時(shí)不僅要考慮過(guò)載環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)件的沖擊,而且要考慮沖擊波超壓對(duì)引信蓋板等結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的影響。

4 結(jié)論

文中提出了基于過(guò)載-超壓耦合法的后級(jí)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法。該方法通過(guò)建立后級(jí)引信的過(guò)載-超壓耦合有限元模型,用加載和求解模塊施加過(guò)載-超壓耦合載荷計(jì)算后級(jí)引信結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變,分析和校核引信的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于過(guò)載-超壓耦合法的仿真分析結(jié)果與靶場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相近,該方法可以用于串聯(lián)引信結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和校核。在設(shè)計(jì)后級(jí)引信蓋板、殼體等結(jié)構(gòu)件時(shí)可通過(guò)選用強(qiáng)度較高的材料如TC4、30CrMnSiA2并應(yīng)采取反射、衰減爆轟波等措施,使后級(jí)引信在前級(jí)戰(zhàn)斗部爆轟場(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)載-超壓雙重環(huán)境下不會(huì)發(fā)生較大的應(yīng)力變形,保證后級(jí)引信的發(fā)火可靠性。

文中的不足之處,理論計(jì)算是在借鑒了經(jīng)驗(yàn)公式的情況下進(jìn)行的,仿真分析結(jié)果是在理想工況的基礎(chǔ)上得到的,結(jié)果有一定的誤差。

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Structural Strength Computation of Following Fuze Based on Coupled Overload-overpressure Method

XU Pengzhao1,YU Rui2,NIE Zheng1,HUANG Huidong1

(1 Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China; 2 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In view of that following fuze is bound to undergo coupled overload-overpressure condition of precursory detonation, structural strength computation of following fuze based on coupled overload-overpressure method was put forward. The coupled overload-overpressure finite model of following fuze was built firstly, and coupled overload-overpressure loads were applied to calculate stress and strain of following fuze body to analyze the structure strength. The field experiment results show that the simulation results of coupled overload-overpressure method are close to that of field experiment and the method could be applied to structure strength calculation of following fuze.

tandem warhead; following fuze; structure strength; coupled overload-overpressure method

1015-12-18

徐蓬朝(1984-),男,河北霸州人,工程師,碩士,研究方向:機(jī)電引信技術(shù)。

TJ430.3

A