撞擊減速法模擬引信后坐加速度的影響因素*

楊清熙，齊杏林，趙志寧，李永鐸，韓苗青

(1解放軍軍械工程學院，石家莊 050003;2總參炮兵訓練基地，河北宣化 075100;3 71496部隊，山東煙臺 265800)

0 引言

撞擊旋轉法是一種模擬引信發射中后坐和離心環境的方法。撞擊旋轉法是利用氣體炮發射裝有倒置引信(或引信零部件)的試驗彈，試驗彈飛出炮口后進入由電機驅動的旋轉管，撞擊旋轉管中的緩沖器和動量轉換塊，利用撞擊過程的突然受阻減速模擬后坐加速度，利用緩沖器和旋轉管的帶動旋轉模擬離心環境[1]。撞擊旋轉法的關鍵技術是利用了撞擊減速法模擬后坐加速度，撞擊旋轉法已成功應用于引信電源激活性能的檢測，但利用這種方法對引信解除保險性能檢測所面臨的主要問題是所模擬的后坐加速度持續時間不足、后坐加速度曲線的調節困難[2－3]。

緩沖器是影響加速度持續時間的主要因素，可通過選用不同材料、形狀、尺寸的緩沖器來控制后坐加速度曲線[4]。泡沫鋁材料是一種很好的緩沖材料，文中以泡沫鋁塊為緩沖器考慮撞擊減速法所模擬的后坐加速度曲線[5]。

1 撞擊減速模型的建立

引信利用彈口螺紋旋在一帶螺紋的特制圓柱筒上，二者連在一體形成試驗彈。動量轉換塊采用黃銅塊，緩沖器是具有一定形狀的泡沫鋁塊，旋轉管是合金鋼管。

利用ANSYS/LS-DYNA軟件對碰撞減速過程進行仿真。試驗彈、旋轉管、動量轉換塊選用剛體模型，其部分參數如表1所示。

表1 碰撞模型材料的部分參數

對于泡沫鋁材料，選用兩種密度分別為1800 kg/m3、370kg/m3的泡沫鋁材料進行對比研究，泡沫鋁選用可壓扁泡沫材料模型(Crushable-Foam模型)，其應力－應變曲線如圖1所示[6]。

圖1 泡沫鋁材料的應力－應變曲線

由于模型結構形狀、沖擊載荷具有對稱性，為節減計算時間，提高計算精度，試驗彈、緩沖器、動量轉換塊、旋轉管均采取1/2模型建模，整個模型如圖2所示。

圖2 撞擊減速模型

2 撞擊減速過程分析

當試驗彈以40m/s的速度碰撞1800 kg/m3的泡沫鋁塊時，試驗彈先壓縮泡沫鋁塊變形，泡沫鋁塊在壓扁的過程中推動動量轉換塊向前移動。其過程可由圖3直觀看出。

由圖3知，碰撞過程中，試驗彈上節點8975、泡沫鋁塊上節點7970、動量轉換塊上節點5369的速度－時間曲線如圖4所示。由圖可見試驗彈速度由40m/s逐漸下降，最后與泡沫鋁塊一起靜止，而動量轉換塊吸收碰撞的能量后以7m/s的速度飛出。

3 撞擊減速所得加速度－時間曲線分析

引信解除后坐保險不僅與其受到的后坐加速度有關而且與后坐加速度持續時間有關。例如某種觸發引信解除后坐保險所需的后坐加速度要求在20000m/s2、持續時間0.001s以上。這就要求當對引信后坐保險解除保險性能進行檢測時需要模擬的加速度參數能滿足要求。而模擬所得的加速度與試驗彈碰撞初速、緩沖器材料及尺寸、動量轉換塊重量等都有關系。

圖3 不同時刻模型狀態圖

圖4 模型上典型節點速度－時間曲線

3.1 初速對加速度－時間曲線的影響

試驗彈以不同速度碰撞密度為1800 kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時間曲線如圖5所示。

根據圖5不同碰撞初速下的加速度－時間曲線可以得到表2中加速度參數，由表2知碰撞初速直接影響加速度峰值和加速度持續時間，在其他條件不變的情況下，初速越大，加速度峰值越高，加速度持續時間越長。但當初速增加到一定值時，泡沫鋁塊會被壓扁，失去緩沖效果，得到的加速度－時間曲線不穩定。

3.2 泡沫鋁塊厚度對加速度－時間曲線的影響

試驗彈初速30m/s，碰撞密度為1800 kg/m3，厚度分別為0.08m、0.05m的泡沫鋁塊，質量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時間曲線如圖6所示。

由圖6知，當泡沫鋁塊厚度為0.08m時，加速度峰值32000m/s2，加速度 ＞0m/s2持續時間約為0.0012s。當泡沫鋁塊厚度為0.005m時，加速度峰值28000m/s2，加速度＞0m/s2持續時間約為0.001s。由此可知泡沫鋁塊厚度越小加速度峰值越小，加速度持續時間越短。同時泡沫鋁塊厚度越小，緩沖效果越差，在較低碰撞初速下就會壓扁，失去緩沖效果。

圖5 不同碰撞初速下的加速度－時間曲線

表2 不同碰撞初速下的加速度參數

圖6 不同厚度泡沫鋁塊下的加速度－時間曲線

3.3 緩沖器材料對加速度－時間曲線的影響

試驗彈初速10m/s，碰撞密度為370kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質量為3.15kg的黃銅塊，其加速度－時間曲線如圖7所示。

圖7 370kg/m3泡沫鋁塊下的加速度－時間曲線

由圖7知，當泡沫鋁塊密度為370kg/m3時，加速度峰值為5700m/s2，加速度 ＞0m/s2持續時間約為0.0027s。對比圖5中(d)圖知泡沫鋁塊密度越小加速度峰值越小，加速度持續時間越長。但是泡沫鋁塊密度越小，在較低的碰撞初速下就會壓扁，失去緩沖效果。

3.4 動量轉換塊質量對加速度－時間曲線的影響

試驗彈初速20m/s，碰撞密度為1800kg/m3，厚度為0.1m的泡沫鋁塊，質量分別為2.52kg、2.10kg的黃銅塊，其加速度－時間曲線如圖8所示。

由圖5(c)知，當動量轉換塊質量為3.15kg時，加速度峰值約為26000 m/s2。由圖8知，當動量轉換塊質量為2.52kg時，加速度峰值約為20000 m/s2。當動量轉換塊質量為2.10kg時，加速度峰值約為18000 m/s2。三種長度動量轉換塊下的加速度大于0 m/s2持續時間均約為0.0011s。所以可知動量轉換塊的質量主要影響加速度峰值，動量轉換塊質量越小，加速度峰值越小。

圖8 不同質量動量轉換塊下的加速度－時間曲線

4 結論

文中對撞擊減速法模擬引信后坐環境進行了建模仿真，重點分析了影響后坐加速度－時間曲線的因素。根據分析結果知泡沫鋁材料作為緩沖器能起到很好的緩沖效果。泡沫鋁材料密度越小得到的加速度持續時間越長，可通過調節碰撞初速、泡沫鋁塊厚度、動量轉換塊質量等措施調節加速度－時間曲線。

[1]Harold R Martin.Construction details of HDL artillery simulator(prototype)，AD660334[R].1967.

[2]Herbert D Curchack.Artillery simulator，US，3444733[P].1969－5－20.

[3]Donald J Mary.The high-spin tabletop artillery simulator(2in.)，ADA075238[R].1979.

[4]Michael G Otten.Development of a 7-inch air gun for use in interior ballistics simulation，ADA020866[R].1975.

[5]徐蓬朝，黃惠東，揭濤，等.高超音速侵徹引信中的泡沫鋁墊片[J].探測與控制學報，2010，32(6)：63－67.

[6]聞利群，魯建霞，張同來.泡沫鋁和橡膠對測試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究[J].彈箭與制導學報，2010，30(3)：223－225.