李飛胤，馬少杰，張 合

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

1 引言

侵徹彈藥高速侵徹多層硬目標(biāo)過(guò)程中，其引信機(jī)構(gòu)及控制組件將承受侵徹過(guò)程所產(chǎn)生的連續(xù)高沖擊載荷作用，該力學(xué)環(huán)境既是彈體及引信機(jī)構(gòu)必須能夠有效經(jīng)受的力學(xué)載荷，也是引信控制系統(tǒng)計(jì)層識(shí)別與起爆控制的關(guān)鍵輸入?yún)⒘?，因此，引信組件在研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中需進(jìn)行苛刻的短間隔連續(xù)高沖擊力學(xué)試驗(yàn)?，F(xiàn)有的侵徹引信實(shí)驗(yàn)室高沖擊試驗(yàn)手段主要以落錘、擺錘、空氣炮、霍普金森桿等單次沖擊試驗(yàn)裝置為主，通過(guò)重復(fù)加載實(shí)現(xiàn)連續(xù)沖擊，不但沖擊頻率難以滿足要求，且沖擊幅值與間隔也存在較大散布；而對(duì)于多層硬目標(biāo)侵徹引信的苛刻連續(xù)高沖擊測(cè)試，通常僅可依賴于靶場(chǎng)試驗(yàn)方法，存在周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等顯著問(wèn)題，現(xiàn)有測(cè)試手段的不足促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室連續(xù)高沖擊試驗(yàn)技術(shù)的探索與研究。

為有效實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用中所需的連續(xù)高沖擊測(cè)試，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者嘗試了多種不同原理的沖擊加載方法。Wellinger等提出了多個(gè)自由落體跌落加載的連續(xù)沖擊試驗(yàn)方法；劉國(guó)慶設(shè)計(jì)了采用凸輪-彈簧式加載的臥式?jīng)_擊疲勞試驗(yàn)機(jī)；何玲等研制了滾子凸輪加載的槍械自動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件沖擊疲勞試驗(yàn)裝置；宋林森等設(shè)計(jì)了可用于武器系統(tǒng)瞄準(zhǔn)裝置強(qiáng)度試驗(yàn)的電液伺服連續(xù)沖擊系統(tǒng)。上述研究極大地豐富了現(xiàn)有的連續(xù)高沖擊試驗(yàn)手段，但在所能實(shí)現(xiàn)的沖擊幅值和沖擊頻率上仍然存在著較大的局限性，難以滿足多層硬目標(biāo)侵徹引信的實(shí)驗(yàn)室苛刻短間隔高幅值連續(xù)沖擊試驗(yàn)需求。

本研究立足于多層硬目標(biāo)侵徹引信短間隔連續(xù)沖擊試驗(yàn)的技術(shù)需求，針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)手段的不足，設(shè)計(jì)了一種新型的旋轉(zhuǎn)式連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置，介紹了試驗(yàn)裝置的主要構(gòu)成及工作原理，基于ANSYS/LS-DYNA研究并建立了試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵力學(xué)作用過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，并與沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

2 連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置構(gòu)成及工作原理

本文提出的連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該試驗(yàn)裝置主要由旋轉(zhuǎn)加載子系統(tǒng)，沖擊子系統(tǒng)，進(jìn)給/回退子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。旋轉(zhuǎn)加載子系統(tǒng)主要包括大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺(tái)，沖擊組件，調(diào)速電機(jī)及傳動(dòng)裝置，其中大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺(tái)為試驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)，其邊緣設(shè)計(jì)有20組高強(qiáng)度旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊組件，依靠轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)沖擊加載；考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支撐裝置承重需求，將轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面沿徑向方向設(shè)計(jì)為“凹”型結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高的轉(zhuǎn)軸及圓周部位設(shè)計(jì)較厚，而臺(tái)面中間部位相對(duì)設(shè)計(jì)較薄，并對(duì)稱切割出若干組圓環(huán)，減輕轉(zhuǎn)臺(tái)總重。沖擊組件是進(jìn)行沖擊加載的直接作用機(jī)構(gòu)，主要由旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭，沖擊頭座和沖擊轉(zhuǎn)軸3部分構(gòu)成，沖擊頭通過(guò)沖擊轉(zhuǎn)軸安裝在沖擊頭座上，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，沖擊頭在離心力作用下垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)圓周，沖擊發(fā)生后，沖擊頭繞軸旋轉(zhuǎn)退讓出碰撞工位，并隨即快速恢復(fù)至初始狀態(tài)，通過(guò)該沖擊組件退讓與自恢復(fù)的方式，有效解決了常規(guī)連續(xù)沖擊方法中沖擊頻率的限制，且直接碰撞接觸作用也保證了沖擊幅值滿足需求。調(diào)速電機(jī)及傳動(dòng)裝置為沖擊加載提供動(dòng)能，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間間隔的沖擊。沖擊子系統(tǒng)主要包括立方體基座，沖擊夾具和緩沖機(jī)構(gòu)。沖擊夾具設(shè)計(jì)為圓柱筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝測(cè)試件，安裝在立方體基座內(nèi)，底部由緩沖機(jī)構(gòu)提供支撐，并通過(guò)頂部的蓋板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)限位。進(jìn)給/回退子系統(tǒng)包括液壓站、液壓缸和“L型”承載滑軌，液壓站為液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供液壓源，通過(guò)液壓缸的進(jìn)給/回退控制沖擊的發(fā)生與停止，液壓缸的活塞部件與立方體基座外殼體通過(guò)圓柱鉸鏈結(jié)構(gòu)安裝，可為連續(xù)高沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)位移與振動(dòng)提供一定的緩沖，加固設(shè)計(jì)的“L型”承載滑軌提供被沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)限位?？刂谱酉到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，并執(zhí)行各項(xiàng)動(dòng)作指令。

1.轉(zhuǎn)臺(tái); 2.沖擊組件; 3.傳動(dòng)裝置; 4.調(diào)速電機(jī); 5.控制子系統(tǒng); 6.沖擊夾具; 7.立方體基座; 8.緩沖機(jī)構(gòu); 9.液壓進(jìn)給機(jī)構(gòu); 10.液壓站

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，概述連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置的主要工作流程，試驗(yàn)開始前，沖擊子系統(tǒng)位于初始工位，與旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭之間存在有一定的距離間隔，因此無(wú)碰撞接觸作用；試驗(yàn)時(shí)根據(jù)沖擊間隔需求設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)加速，由于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)質(zhì)量較大，因此通常需給定較長(zhǎng)的加速過(guò)程，并通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)上的光電編碼器實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)速并反饋至控制系統(tǒng)；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速后，控制子系統(tǒng)使能液壓機(jī)構(gòu)將沖擊子系統(tǒng)進(jìn)給至沖擊工位，高速運(yùn)動(dòng)的沖擊頭依次與沖擊夾具發(fā)生碰撞接觸作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的連續(xù)高沖擊加載；試驗(yàn)結(jié)束后，液壓機(jī)構(gòu)回退，停止沖擊，隨后制動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，回收測(cè)試樣品，完成連續(xù)沖擊試驗(yàn)。

通過(guò)上述原理和工作過(guò)程分析可知，試驗(yàn)裝置的沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是其關(guān)鍵性能指標(biāo)，不但直接關(guān)系到裝置自身的結(jié)構(gòu)可靠性，也影響到試驗(yàn)效果的評(píng)估，由于該動(dòng)力學(xué)響應(yīng)依賴于沖擊對(duì)的碰撞作用產(chǎn)生，考慮到碰撞過(guò)程的高動(dòng)態(tài)特性，試驗(yàn)手段難以對(duì)實(shí)際作用過(guò)程和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)有效地分析，針對(duì)該問(wèn)題，引入基于ANSYS/LS-DYNA的數(shù)值方法是輔助試驗(yàn)裝置關(guān)鍵力學(xué)作用過(guò)程分析的有效技術(shù)手段。

3 簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置有限元建模

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，提取連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化仿真模型，模型中將沖擊頭座與轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行合并，以減少接觸對(duì)數(shù)量提高求解效率；并且，對(duì)采用螺紋安裝為一體的沖擊夾具結(jié)構(gòu)同樣進(jìn)行合并。在不影響系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的前提下，刪減一些非必要零散結(jié)構(gòu)并進(jìn)行進(jìn)一步的幾何清理，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，簡(jiǎn)化后的連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。根據(jù)方案設(shè)計(jì)，配置直接沖擊接觸結(jié)構(gòu)的材料為65 Mn，其他非直接沖擊接觸結(jié)構(gòu)的材料為45 Steel；此外，由于大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺(tái)自身的形變有限，且不直接承受碰撞接觸作用，并非本研究中力學(xué)作用分析關(guān)注的重點(diǎn)，因此仿真中將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為剛體，進(jìn)一步提高仿真效率。

圖2 簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)模型示意圖

根據(jù)連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置中存在的主要接觸關(guān)系，分別定義20組旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭與沖擊夾具，沖擊頭與沖擊頭座以及沖擊夾具與立方體基座內(nèi)側(cè)面的摩擦接觸；此外，考慮到設(shè)計(jì)方案中沖擊頭碰撞后的旋轉(zhuǎn)自退讓特性，選擇沖擊頭座通孔為目標(biāo)面，沖擊頭通孔為參考面，為每組沖擊頭與沖擊頭座之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)特征運(yùn)動(dòng)關(guān)系的定義。

在綜合考慮計(jì)算精度和求解效率的基礎(chǔ)上，對(duì)連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置不同部件配置不同的網(wǎng)格劃分方案，其中直接接觸結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自退讓沖擊頭、沖擊夾具和立方體基座網(wǎng)格劃分較密，而大質(zhì)量轉(zhuǎn)臺(tái)主體等非作用部位則采用較大的網(wǎng)格尺寸，最終生成單元數(shù)量279 434，節(jié)點(diǎn)數(shù)量64 482。根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)特征，約束轉(zhuǎn)臺(tái)其他方向的自由度，保留軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并給定轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，此外，為立方體基座添加位移運(yùn)動(dòng)，在0.06 s內(nèi)將立方體基座進(jìn)給至沖擊工位，完成上述設(shè)置后，生成計(jì)算k文件。在本文研究仿真分析中，由于仿真總時(shí)長(zhǎng)有限，為有效抑制仿真中轉(zhuǎn)臺(tái)突然加速導(dǎo)致的沖擊頭擺動(dòng)問(wèn)題，在k文件中另行添加綁定約束，并設(shè)置失效時(shí)間=0.05 s，即在沖擊發(fā)生前釋放該綁定約束，以有效實(shí)現(xiàn)沖擊頭的碰撞退讓和自恢復(fù)運(yùn)動(dòng)特征。完成上述設(shè)置后，將k文件遞交LS-DYNA求解。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 等效應(yīng)力分析

仿真獲得簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置關(guān)鍵沖擊部位的等效應(yīng)力云圖分別如圖3和圖4。從其中可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，初始狀態(tài)下沖擊頭受離心力影響垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)圓周，碰撞發(fā)生后，沖擊頭旋轉(zhuǎn)退讓，經(jīng)一段時(shí)間的擺動(dòng)振蕩后恢復(fù)初始狀態(tài)。由于仿真中將轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置為剛體，因此轉(zhuǎn)臺(tái)部位無(wú)應(yīng)力分布，主要沖擊應(yīng)力集中在沖擊頭與沖擊夾具的碰撞接觸部位，并且沖擊頭與沖擊頭座的旋轉(zhuǎn)連接部位也存在較高應(yīng)力；此外，由于實(shí)際沖擊接觸位置并非位于沖擊夾具徑向中心，且受結(jié)構(gòu)間隙影響，不可避免的會(huì)引起沖擊夾具與立方體基座內(nèi)側(cè)面的碰撞作用，導(dǎo)致立方體基座側(cè)壁也產(chǎn)生了接觸應(yīng)力，并以接觸側(cè)及其對(duì)向部位的應(yīng)力數(shù)值較高。

圖3 簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置應(yīng)力云圖

圖4 關(guān)鍵沖擊部位應(yīng)力云圖

連續(xù)沖擊過(guò)程中沖擊夾具上的最大應(yīng)力時(shí)域曲線如圖5所示。圖5中0～0.06 s對(duì)應(yīng)于沖擊夾具的進(jìn)給過(guò)程，此時(shí)不發(fā)生碰撞接觸，因此無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生；0.06～0.15 s為沖擊作用過(guò)程，此時(shí)在沖擊夾具上產(chǎn)生了周期特征清晰的序列脈沖，脈沖峰值的波動(dòng)較大，與沖擊夾具在立方體基座內(nèi)的位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。連續(xù)沖擊過(guò)程中沖擊夾具上的最大應(yīng)力主要集中在350～550 MPa范圍內(nèi)，但部分情況下會(huì)出現(xiàn)高幅值脈沖，最高應(yīng)力峰值638 MPa，上述應(yīng)力幅值在65 Mn的屈服強(qiáng)度容許范圍內(nèi)，并在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，因此較少次數(shù)作用下不會(huì)出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形及損傷，但較多次沖擊試驗(yàn)或長(zhǎng)期使用時(shí)則需注意及時(shí)檢查更換。

圖5 沖擊夾具最大應(yīng)力時(shí)域曲線

4.2 動(dòng)力學(xué)分析

仿真獲得沖擊夾具上的沖擊力時(shí)域曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，連續(xù)沖擊在沖擊夾具上產(chǎn)生了間隔特征清晰的沖擊力脈沖，由于沖擊試驗(yàn)初始階段存在沖擊夾具的進(jìn)給過(guò)程，此時(shí)沖擊接觸不完全，因此沖擊力幅值相對(duì)較低，并隨著進(jìn)給量的增加而增大；當(dāng)沖擊夾具進(jìn)給到位后，沖擊力幅值趨于穩(wěn)定，但仍存在一定程度的波動(dòng)，該現(xiàn)象的出現(xiàn)與連續(xù)沖擊作用下沖擊夾具在立方體基座內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，由于緩沖機(jī)構(gòu)的存在，使得每次沖擊時(shí)沖擊夾具的空間位置、速度大小、運(yùn)動(dòng)方向等均存在隨機(jī)性，導(dǎo)致沖擊力峰值出現(xiàn)波動(dòng)。圖中主要連續(xù)沖擊力幅值大于500 000 N，根據(jù)牛頓第二定律，該沖擊力可在沖擊夾具上產(chǎn)生不小于12 000的沖擊加速度。

圖6 沖擊夾具沖擊力時(shí)域曲線

5 試驗(yàn)

基于設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)開展驗(yàn)證試驗(yàn)研究，結(jié)合沖擊試驗(yàn)裝置控制柜搭建的試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)如圖7所示。試驗(yàn)中設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，并采用加速度傳感器回收沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得的加速度傳感器輸出結(jié)果如圖8所示。

圖7 沖擊試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)實(shí)物圖

圖8 連續(xù)沖擊試驗(yàn)加速度曲線

從圖8中可以看出，連續(xù)沖擊試驗(yàn)中沖擊夾具上獲得了脈沖特征清晰的連續(xù)沖擊加速度，沖擊加速度峰值存在一定波動(dòng)，平均加速度幅值12 000，該試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本較為一致；相比較于仿真結(jié)果，試驗(yàn)加速度除了沖擊作用過(guò)程的高幅值脈沖外，還包含有逐漸衰減的振蕩加速度，這是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)受沖擊作用后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)振動(dòng)所導(dǎo)致的。總體來(lái)看，本研究中的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，有效驗(yàn)證了有限元仿真建模方法及結(jié)果的正確性。

6 結(jié)論

1) 提出并設(shè)計(jì)了一種新型的旋轉(zhuǎn)式連續(xù)高沖擊試驗(yàn)裝置，克服了現(xiàn)有連續(xù)沖擊試驗(yàn)方法中沖擊幅值與沖擊頻率難以同步匹配的不足，可滿足短間隔高幅值連續(xù)沖擊試驗(yàn)的技術(shù)需求。

2) 建立了試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型，仿真獲得了試驗(yàn)裝置關(guān)鍵力學(xué)作用部位的應(yīng)力分布和沖擊夾具的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證了建模方法和仿真結(jié)果的正確性。通過(guò)仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析可知，試驗(yàn)手段僅可獲得有限的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)信息，而結(jié)合數(shù)值仿真方法則可更詳細(xì)的揭示完整動(dòng)態(tài)作用過(guò)程狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)材料特性的分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核等，對(duì)試驗(yàn)裝置的性能分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

本文中的沖擊試驗(yàn)裝置可獲得脈沖特征清晰的連續(xù)加速度響應(yīng)，該連續(xù)脈沖加速度與典型多層硬目標(biāo)侵徹過(guò)程的沖擊加速度具有較好的相似性，可有效應(yīng)用于多層硬目標(biāo)侵徹引信的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和起爆控制策略驗(yàn)證；此外，該試驗(yàn)裝置也可擴(kuò)展用于一些苛刻連續(xù)高沖擊作用下的結(jié)構(gòu)件考核測(cè)試，豐富了現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)手段，研究結(jié)果具有較好的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。