某導彈慣性敏感裝置跌落仿真分析

安彥飛，王雨時，聞泉

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

敏感彈道加速度的裝置稱為慣性敏感裝置[1]。當它作為慣性保險機構時，能感應不同的彈道加速度大小和持續時間，從而執行不同的動作(保險或解除保險)。

關于彈藥類產品跌落響應特性理論研究、仿真研究和試驗研究的文獻較多。文獻[2]建立了某引信冗余保險系統的跌落沖擊動力學模型，仿真分析和試驗驗證了其在不同落高下跌向不同目標時的沖擊響應特性；文獻[3]設計了一種引信跌落試驗測試裝置，并根據彈丸的跌落沖擊加速度測試曲線對從不同高度跌落至不同目標時彈丸上的引信慣性部件運動規律進行了仿真分析；文獻[4]和[5]通過建模仿真，分析、對比了某慣性保險機構在發射過載和跌落沖擊過載兩種環境下的動作情況。

本文以一種典型的導彈慣性敏感裝置為例，建立了不同跌落目標下沖擊響應動態仿真模型，仿真計算結果對該類裝置優化設計及勤務處理性能評估有一定參考。

1 某導彈慣性敏感裝置結構原理

應用于低發射過載彈藥的慣性敏感裝置基本結構都是彈簧-質量系統[1]。某導彈慣性敏感裝置由慣性體、座體、導桿及慣性簧等組成，可簡化為一個單自由度彈簧-質量系統，其物理模型如圖1所示。

圖1 某導彈慣性敏感裝置物理模型

當后坐過載達到臨界值2 g時，慣性體沿著貫穿于其中的導桿、壓縮慣性簧向下運動至與座體平面接觸，釋放過載時間識別機構——鐘表機構。當慣性體與座體接觸時間達到4 s時，鐘表機構恰好能保證與之相嚙合的隔爆機構解除保險。如果慣性體與座體接觸時間<4 s，那么隔爆機構不足以運動至解除保險位置，就會被慣性簧通過慣性體推動恢復至初始裝配位置，此時整個裝置仍處于安全狀態。

2 跌落仿真模型建立

用Solidworks軟件建立慣性敏感裝置和跌落目標的三維模型，并保存為Parasolid.X_T格式，然后利用ADAMS/View提供的模型數據交換接口，將模型文件導入到ADAMS軟件中，設置模型材料特性，并添加相應約束。

由于慣性敏感裝置中的慣性簧可直接在ADAMS軟件中添加生成，所以在用Solidworks三維建模時，并未畫出慣性簧。慣性簧參數由慣性體質量、行程、結構特性以及保險和解除保險性能要求等因素匹配設計。在ADAMS/View中，使用拉壓彈簧-阻尼器模型：

(1)

式中:F——彈簧壓力(N)；

C——粘性阻尼系數(N·s/mm)；

K*——彈簧剛度系數(N/mm)；

r——彈簧自由高度(mm)；

L——彈簧裝配高度(mm)；

P——彈簧預壓力(N)。

按照初始設計確定彈簧剛度系數K*=3.16×10-2N/mm，彈簧預壓力P=1.36 N。其他按默認值。彈簧兩端構件分別為慣性體和座體。

假設慣性敏感裝置在重力作用下自由跌落、空氣阻力不計。由于勤務處理過程中各種跌落姿態都可能出現，其中垂直跌落時跌落目標對慣性敏感裝置反作用力沿其軸線向上，此時慣性體受到的慣性力最大(與座體接觸可能性最大)，所以只仿真這一姿態。

慣性敏感裝置與跌落目標介質接觸模型選用沖擊函數模型：

(2)

式中:K——材料接觸剛度；

δ——穿透深度；

e——穿透深度指數；

STEP()——階躍函數；

dmax——最大允許切入深度；

Cmax——對應最大切入深度的最大阻尼值；

根據Hertz接觸理論，剛度系數K[6]取決于撞擊物體材料和結構形狀：

(3)

設置重力方向沿跌落目標法線方向向下，跌落高度1.5 m[7]，求解時間1 s，仿真步數500。慣性敏感裝置跌落仿真模型如圖2所示。

圖2 慣性敏感裝置跌落仿真模型

3 仿真結果及其分析

當跌落目標為鋼板時，仿真得出的碰撞過程如圖3所示。

圖3 慣性敏感裝置跌落過程

由圖3可以看到，慣性敏感裝置在0.552 s時開始與鋼板接觸，0.556 s時跌落產生的慣性力迫使慣性體壓縮慣性簧至與座體接觸，0.590 s時慣性體在慣性簧抗力作用下恢復至初始狀態，0.594 s時慣性點火器反彈離開鋼板，之后在0.660 s時與鋼板二次碰撞，至0.722 s時靜止不動。

通過Adams/Post Processor后處理器查看仿真結果，跌落過程中慣性體受到的慣性力隨時間的變化曲線和慣性簧抗力隨時間的變化曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 跌落至鋼板時慣性體受到的慣性力隨時間的變化

圖5 跌落至鋼板時慣性簧抗力隨時間的變化

由圖4可知慣性體在0.552 s時接觸鋼板產生慣性力，經過0.004 s該慣性力迅速增大至峰值18.61 N，再經過0.002 s又迅速降至0。之后出現了幾個小的慣性力峰值，且均在0以下，這是由慣性簧抗力推動慣性體碰撞座體頂蓋所致。

從圖5可知慣性簧抗力在0.552 s之前的預壓抗力均為1.36 N，經過0.004 s迅速增大至抗力峰值3.34 N，再經過0.004 s又迅速降至1.73 N，之后緩緩降至初始預壓值，即裝配位置。

從圖4和圖5可以看出慣性敏感裝置跌落過程中慣性體與座體下端面僅有一次接觸，且接觸時間較短(0.036 s)，遠遠小于解除保險所需時間(4 s)，因此垂直跌落環境下慣性點火器中保險機構的保險作用是可靠的。由于慣性敏感裝置跌落時所受慣性力以垂直方向為最大，而根據以上仿真分析，該慣性敏感裝置不會解除保險，所以在其他各種跌落姿態下，慣性敏感裝置都不會解除保險。

跌落目標不同，慣性敏感裝置跌落沖擊響應特性也不同。分別仿真跌落目標為木板、混凝土、砂土等介質時慣性敏感裝置解除保險情況，慣性簧抗力隨時間變化如圖6所示。慣性體離其下方的座體平面越近，慣性簧產生的抗力越大，由此可知慣性體與座體接觸時間長短，從而判定裝置是否解除保險。

圖6 慣性敏感裝置跌落到不同介質 上時慣性簧抗力隨時間變化

由圖6知慣性敏感裝置跌落到不同目標上時，慣性簧抗力極大值持續時間即慣性體與座體接觸時間均小于1 s，隔爆裝置來不及被鐘表機構解除隔爆保險就又被慣性簧推動的慣性體推回至初始裝配狀態(位置)，因此慣性敏感裝置在勤務環境下的跌落安全性是有保證的。

4 試驗驗證

試制某導彈慣性敏感裝置并進行跌落安全性測試，跌落目標為鋼板(圖7)，跌落高度分別為1.5 m，1.8 m和2.1 m。跌落后裝置并未解除保險，慣性體仍處于裝配位置(圖8)，驗證了某導彈敏感裝置的跌落安全性，同時也證明了仿真的可信性。

圖7 跌落鋼板

圖8 跌落后產品狀態

5 結論

通過動力學仿真分析得出某導彈慣性敏感裝置從1.5 m高跌落至鋼板、混凝土、木板和砂土等不同硬度目標時，慣性體與其下方的座體平面僅有一次碰撞，且該碰撞時間遠小于裝置解除保險時間，隨后慣性體立即在慣性簧推動下恢復至初始裝配狀態，因此可以保證慣性敏感裝置在勤務處理過程中意外跌落后的安全性和結構正確性。

[1] GJB/Z 135-2002.引信工程設計手冊[S].中華人民共和國國家軍用標準.北京：總裝備部軍標出版發行部，2003.

[2] 陸靜，程翔，鞠敏等.墜落沖擊環境下引信保險系統的可靠性仿真[J].南京理工大學學報， 2001，25(4)：369-372.

[3] 韓學平，芮筱亭，洪俊，等.引信慣性部件墜落動力學試驗分析及數值仿真[J].系統仿真學報， 2008， 20(8)： 1990-1993.

[4] 王暉，陳荷娟.復合式慣性制動保險機構及性能分析[J].探測與控制學報，2007，29(1)：32-35.

[5] 王立新，黃文良.后坐銷在高過載情況下的動態仿真[J].彈箭與制導學報，2004，24(4)：228-232.

[6] Harris T.A.Rolling bearing analysis [M].NewYork:Willey,1991.

[7] GJB573A-1998 引信環境與性能試驗方法[S].北京: 總裝備部軍標出版發行部，1998.