王耀琦，梁增友，時(shí)文超，陳智剛，趙文杰

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2 山東華源萊動(dòng)內(nèi)燃機(jī)有限公司，山東萊陽(yáng) 265200)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，具有高價(jià)值的軍事和戰(zhàn)略目標(biāo)為了規(guī)避毀滅打擊，紛紛將其地下化或半地下化，并且防護(hù)程度越來(lái)越高,這就促使一些智能型攻堅(jiān)彈相繼出現(xiàn)。在針對(duì)攻堅(jiān)彈的研發(fā)過(guò)程中，彈體侵徹加速度時(shí)間曲線的測(cè)試是一項(xiàng)必須要完成的工作，它往往涉及到彈體強(qiáng)度設(shè)計(jì)，戰(zhàn)斗部裝藥的安定性，引信的正確動(dòng)作，彈體與目標(biāo)的交互作用，炸藥的定深起爆等多個(gè)方面[1]。由于彈體在高速侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中，彈載測(cè)試模塊往往會(huì)承受高達(dá)數(shù)萬(wàn)g的過(guò)載而工作失靈，為了保證高速侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中彈載測(cè)試裝置獲取數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，就必須對(duì)其進(jìn)行緩沖保護(hù)。由于彈體空間有限，采用吸收能量高的塑性變形材料或結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試模塊進(jìn)行緩沖保護(hù)是一種較為理想的選擇，目前已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。錢立志[2]等設(shè)計(jì)了由橡膠墊和碟簧組合的復(fù)合減震裝置，該裝置能夠有效降低過(guò)載，但需要占用較大空間。劉豐林[3]等提出采用一種線性特性好，體積小并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的O形彈簧代替無(wú)法使用液壓緩沖效能的吸能裝置，能較好的吸收沖擊載荷，保證設(shè)備安全。倪建華[4]等研究發(fā)現(xiàn)管梁結(jié)構(gòu)吸能元件的吸能曲線較為平穩(wěn)，可以作為汽車碰撞吸能部件的一種選擇。航天領(lǐng)域，美國(guó)先驅(qū)者號(hào)，前蘇聯(lián)的火星3號(hào)、火星6號(hào)的探測(cè)器均使用薄壁金屬管來(lái)吸收著陸時(shí)的沖擊能量[5]。何成[6]通過(guò)對(duì)錐形薄壁管的耐撞性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)圓錐管的耐撞性要優(yōu)于方形管。梁增友[7]等通過(guò)研究金屬管塑性變形緩沖器發(fā)現(xiàn)其能大幅降低高速?gòu)椡柚袕椵d設(shè)備的過(guò)載，緩沖效果明顯。大量的研究表明，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使薄壁金屬管具有可控變形模式和較為平穩(wěn)的壓縮載荷，文中是基于這一思想來(lái)研究薄壁金屬管的緩沖性能。

1 薄壁金屬管

薄壁金屬管塑性變形緩沖器是依靠擴(kuò)徑變形過(guò)程中的彈塑性變形和摩擦發(fā)熱來(lái)吸收沖擊能量的[8]，圖1為薄壁金屬管結(jié)構(gòu)圖，它由錐臺(tái)和脹環(huán)組成，當(dāng)沖擊載荷施加于錐臺(tái)時(shí)，由于錐臺(tái)的大端外徑大于脹環(huán)下端的內(nèi)徑，當(dāng)錐臺(tái)向下沖擊時(shí)，脹環(huán)會(huì)發(fā)生擴(kuò)徑變形，使沖擊載荷轉(zhuǎn)換為脹環(huán)的塑性變形和錐臺(tái)與脹環(huán)摩擦生熱所做的功，以此來(lái)達(dá)到緩沖吸能的目的。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，薄壁金屬管的緩沖力可表示為：

(1)

從式(1)中可以看出，薄壁金屬管的緩沖力的大小主要由R1、R2、σs、f、α、t等參數(shù)決定，其中R1、R2、α、t為薄壁金屬管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而根據(jù)梁增友[10]等人的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R2、H一定的情況下，錐角α對(duì)薄壁金屬管緩沖力的影響要大于壁厚t，因此將t保持不變，通過(guò)改變錐角α的大小來(lái)研究薄壁金屬管的緩沖特性。

2 空氣炮實(shí)驗(yàn)

2.1 空氣炮實(shí)驗(yàn)原理

空氣炮系統(tǒng)包括空氣炮，沖擊子彈，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，測(cè)試儀器，緩沖裝置，瞬態(tài)波形記錄儀和計(jì)算機(jī)等，如圖2所示?？諝馀谕ㄟ^(guò)高壓氣體做功將速度施加到具有一定質(zhì)量的沖擊子彈上，沖擊子彈沿著身管運(yùn)動(dòng)并撞擊測(cè)試段上的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)在被撞擊后開始加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)試裝置在此加速度下由于自身慣性向前運(yùn)動(dòng)，并使脹環(huán)發(fā)生壓縮、變形。

采用差動(dòng)式激光多普勒測(cè)速儀和加速度傳感器試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和測(cè)試裝置的加速度信號(hào)，并由測(cè)試存儲(chǔ)模塊進(jìn)行記錄，待實(shí)驗(yàn)完畢后，將數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行濾波處理，試驗(yàn)所用的加速度傳感器經(jīng)標(biāo)定后量程為0～80 000g,有效工作時(shí)間為10 min。

2.2 試樣結(jié)構(gòu)

為了便于結(jié)果分析，將脹環(huán)結(jié)構(gòu)分為起始段，不定徑段和定徑段3部分。錐臺(tái)對(duì)應(yīng)分為起始段和不定徑段兩部分，如圖3所示。高度H為30 mm，大端中徑R2為29 mm，起始段長(zhǎng)度L1為4 mm，定徑段長(zhǎng)度L2為22 mm,錐角α=7°、10°、15°和18°，壁厚t=2.0 mm。

2.3 結(jié)果分析

圖4為薄壁金屬管試驗(yàn)前后照片(限于篇幅只列一組10-1)。

圖5為不同錐角的薄壁金屬管加速度時(shí)間歷程曲線。

根據(jù)加速度時(shí)間曲線還可以得出以下結(jié)論：相同壁厚條件下，錐角越大，薄壁金屬管的加速度峰值和平臺(tái)加速度值也相應(yīng)的增大。當(dāng)錐角為7°，10°，15°時(shí)，平臺(tái)區(qū)加速度值起伏平穩(wěn)且較為穩(wěn)定，而當(dāng)錐角為18°時(shí)，平臺(tái)區(qū)加速度值起伏明顯增大，這說(shuō)明當(dāng)錐角較大時(shí)，脹環(huán)在塑性變形過(guò)程中存在明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 評(píng)價(jià)方法

表1 不同錐角的薄壁金屬管隔沖效率

從表1中得出，在相同壁厚條件下，薄壁金屬管的隔沖效率隨著錐角的減小而增大，且錐角為7°的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)的隔沖效率最大，為87.75%。

為綜合評(píng)價(jià)薄壁金屬管的緩沖性能，在彈體空間相對(duì)有限的條件下，以單位體積比吸能、單位質(zhì)量比吸能和載荷效率作為評(píng)價(jià)緩沖性能的重要指標(biāo)[8]。

緩沖器單位體積吸收能量EV為：

(2)

式中：Etotal為緩沖器吸收總能量；V是緩沖器所占體積。

緩沖器單位體積吸能量Em為：

(3)

式中：Etotal為緩沖器吸收總能量；m是緩沖器所占質(zhì)量。

緩沖器載荷效率Ae為：

(4)

式中：Fa為平均載荷；Fb為峰值載荷。

表2 薄壁金屬管緩沖性能參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上文綜合分析，質(zhì)量比吸能，體積比吸能，載荷效率等3個(gè)指標(biāo)可以初步判斷錐角為15°，壁厚為2.0 mm的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有最佳緩沖效能。

4 有限元分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，仿真思路如下：將幅值為16 000g，脈寬為400 μs的沖擊加速度曲線施加到模擬彈體上，該加速度曲線通過(guò)空氣炮實(shí)驗(yàn)獲取并做了一些簡(jiǎn)化處理，如圖6所示。

為了減少計(jì)算量，建立1/4模型，如圖7所示，其中模擬彈體，測(cè)試裝置、錐臺(tái)和脹環(huán)采用solid164實(shí)體單元，并以六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，定義模擬彈體與測(cè)試裝置的面面自動(dòng)接觸，模擬彈體與脹環(huán)為面面自動(dòng)接觸，脹環(huán)與錐臺(tái)為面面自動(dòng)接觸。

為了確保仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)相吻合，模擬彈體、測(cè)試裝置，錐臺(tái)、脹環(huán)所用材料分別為6A02T6鋁、40Cr、40Cr、45#鋼，其中模擬彈體材料屬性采用與應(yīng)變率相關(guān)的雙向性應(yīng)變強(qiáng)化模型，測(cè)試裝置和錐臺(tái)的材料由于強(qiáng)度和剛度較大，因此選用剛體模型來(lái)表示，脹環(huán)材料屬性同樣采用雙線性應(yīng)變強(qiáng)化模型，基本材料參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 基本材料參數(shù)設(shè)置

圖8為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果變形圖，圖9為仿真和實(shí)驗(yàn)加速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比。

從圖9可以得出仿真加速度時(shí)間歷程曲線要略低于實(shí)驗(yàn)加速度時(shí)間曲線，可能與仿真模型的網(wǎng)格質(zhì)量、材料參數(shù)、材料失效準(zhǔn)則等有關(guān)。從表4得出，加速度峰值誤差波動(dòng)為6.1%，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果較為一致。

表4 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果誤差波動(dòng)范圍(錐角10°)

注：ap為平均加速度

文中為了驗(yàn)證所得出結(jié)果的合理性，將15-1的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)進(jìn)行高g值下的緩沖性能研究，具體思路是將脈寬保持不變，幅值增加1.5g～24 000g的三角形沖擊加速度施加到模擬彈體上，同樣以隔沖效率，單位體積吸能，單位質(zhì)量吸能，載荷效率作為評(píng)價(jià)薄壁金屬管緩沖性能的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)緩沖性能對(duì)比如表5所示。

表5 緩沖性能對(duì)比(錐角為15°)

從表5中可以看出，將沖擊加速度幅值提高1.5倍時(shí)，測(cè)試裝置的體積比吸能和質(zhì)量比吸能均提高了1.89倍，隔沖效率也相應(yīng)的提高了1.16倍，而載荷效率變化較小，因此可以得出在相同壁厚條件下，錐角為15°的薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有良好的緩沖效能。

5 結(jié)論

1)薄壁金屬管在高g值下的加速度時(shí)間歷程曲線表現(xiàn)為明顯的二階段特征，即載荷峰值區(qū)和平臺(tái)穩(wěn)定區(qū)，相同壁厚條件下，薄壁金屬管的加速度歷程曲線隨著錐角的增大而相應(yīng)地提高。

2)以隔沖效率，體積比吸能，質(zhì)量比吸能，載荷效率等作為薄壁金屬管緩沖效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)錐角為15°時(shí)薄壁金屬管結(jié)構(gòu)具有最佳緩沖效能。