制導(dǎo)彈藥戰(zhàn)斗部裝藥設(shè)計(jì)安定性評(píng)估方法*

王長(zhǎng)安,吳 巍,王廣偉,姚文進(jìn)

(1 中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心,吉林白城 137001;2 南京理工大學(xué),南京 210094)

制導(dǎo)彈藥戰(zhàn)斗部裝藥設(shè)計(jì)安定性評(píng)估方法*

王長(zhǎng)安1,吳 巍1,王廣偉1,姚文進(jìn)2

(1 中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心,吉林白城 137001;2 南京理工大學(xué),南京 210094)

目前,制導(dǎo)彈藥由于用彈量限值,戰(zhàn)斗部裝藥安定性評(píng)估是彈藥鑒定試驗(yàn)的一個(gè)難題。文中根據(jù)戰(zhàn)斗部裝藥圍壓試驗(yàn)獲取裝藥抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),采用AUTODYN數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)計(jì)算或試驗(yàn)方法獲取戰(zhàn)斗部裝藥在碰撞過(guò)程中所受的最大應(yīng)力,利用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論,給出了戰(zhàn)斗部裝藥安定性評(píng)估新方法,解決了制導(dǎo)彈藥戰(zhàn)斗部裝藥安定性無(wú)法評(píng)估的難題。該方法不但科學(xué)合理,而且可大幅降低試驗(yàn)消耗。

戰(zhàn)斗部裝藥;安定性;應(yīng)力-強(qiáng)度干涉;圍壓試驗(yàn);數(shù)值仿真。

0 引言

戰(zhàn)斗部裝藥是彈藥系統(tǒng)的重要組成部件,決定著彈藥系統(tǒng)的功能能否成功實(shí)現(xiàn),且裝藥安定性直接關(guān)乎發(fā)射安全性和作用可靠性。對(duì)造價(jià)高的制導(dǎo)彈藥,鑒定試驗(yàn)一般采取小子樣方案進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估,無(wú)法依靠射擊試驗(yàn)評(píng)定裝藥安定性。

針對(duì)這一問(wèn)題,文中提出利用特征量裕度的概率計(jì)算方法[1],利用圍壓試驗(yàn)方法獲取戰(zhàn)斗部裝藥強(qiáng)度數(shù)據(jù),采用試驗(yàn)[2]或數(shù)值仿真計(jì)算[3-6]獲得戰(zhàn)斗部在與目標(biāo)碰撞過(guò)程中的受力數(shù)據(jù),利用干涉理論,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部裝藥安定評(píng)定計(jì)算,解決了制導(dǎo)彈藥戰(zhàn)斗部裝藥安定性無(wú)法評(píng)估的難題。

1 戰(zhàn)斗部裝藥強(qiáng)度分布函數(shù)和碰撞過(guò)程裝藥應(yīng)力分布函數(shù)的確定方法

1.1 裝藥強(qiáng)度試驗(yàn)方法及分布函數(shù)確定方法

針對(duì)炸藥材料,圍壓裝置采用薄壁套筒,并限制套筒在彈性范圍內(nèi)膨脹變形,這樣既可以為被測(cè)炸藥提供足夠高的靜水壓環(huán)境,又降低了數(shù)據(jù)解讀的難度。試驗(yàn)中,用被動(dòng)圍壓樣品組件代替SHPB樣品裝配在入射桿和透射桿之間(見(jiàn)圖1)。在較高靜水壓下忽略試樣強(qiáng)度后,將SHPB試驗(yàn)處理方式獲得的試樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)化為試樣的靜水壓-比容關(guān)系,從而獲得材料的體模量。如圖1所示,圓柱形炸藥試樣在徑向受到金屬薄壁套筒約束,試樣左右端面通過(guò)兩個(gè)金屬墊塊與SHPB壓桿連接。壓桿在子彈撞擊下,通過(guò)墊塊把軸向沖擊載荷施加給試樣,炸藥試樣在軸向壓縮變形的同時(shí),橫向膨脹受到金屬套筒的約束。

圖1 被動(dòng)圍壓SHPB試驗(yàn)樣品組件

通過(guò)套筒外壁中心對(duì)稱粘貼的環(huán)向應(yīng)變片,可以直接測(cè)量套筒外壁的環(huán)向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)力,再由下面公式計(jì)算出試樣的徑向應(yīng)力σr、應(yīng)變?chǔ)舝。炸藥的軸向應(yīng)力σz、軸向應(yīng)變?chǔ)舲根據(jù)常規(guī)SHPB技術(shù),由壓桿應(yīng)變片信息得到。

式中:r、h分別為套筒半徑和壁厚;ν為套筒材料的泊松比;Ec為套筒材料的的楊氏模量;σθc為筒壁的環(huán)向拉應(yīng)力(彈性范圍內(nèi)最高可達(dá)套筒材料的屈服極限);εθc為筒壁的環(huán)向應(yīng)變。

從上面公式可以看出,如果采用壁厚、半徑之比為0.1的金屬套筒,試樣受到徑向圍壓最大可達(dá)200 MPa,相應(yīng)的最大徑向應(yīng)變量?jī)H約0.39%。當(dāng)εz>3.9%時(shí),試樣變形近似一維應(yīng)變狀態(tài)。也就是不需要考慮套筒外壁的膨脹情況,僅由壓桿應(yīng)變片測(cè)量的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變就可以表示被測(cè)炸藥的流體壓力與體積應(yīng)變。

假設(shè)有nx組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)是xi(i=1,2,…,n)即有效觀測(cè)值樣本量為n,對(duì)應(yīng)的有效觀測(cè)值為xi。則樣本均值、標(biāo)準(zhǔn)差和分布密度函數(shù)分別為:

1.2 碰撞過(guò)程裝藥應(yīng)力分布函數(shù)確定方法

戰(zhàn)斗部裝藥在彈目碰撞過(guò)程中承受的應(yīng)力主要由彈丸飛行速度、攻角、著角和靶體的破壞臨界應(yīng)力所決定,可以通過(guò)實(shí)彈射擊和仿真試驗(yàn)獲得。實(shí)彈飛行試驗(yàn)時(shí),一般在裝藥前端安裝傳感器來(lái)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù),但是需要典型目標(biāo)靶的面積較大,為了提高數(shù)據(jù)獲取率,減小典型目標(biāo)靶的面積,可通過(guò)平衡炮或火箭撬試驗(yàn)獲取。

設(shè)戰(zhàn)斗部裝藥應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)為li(i=1,2,…,nl),則概率密度分布函數(shù)為:

式中μl、σl分別為裝藥承受應(yīng)力的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

2 基于特征量裕度的可靠性計(jì)算方法

設(shè)戰(zhàn)斗部裝藥強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為si(i=1,2,…,ns),則其的概率密度分布函數(shù)為:

式中μs、σs分別為裝藥強(qiáng)度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

給定置信度γ,利用“應(yīng)力-強(qiáng)度”干涉模型,則戰(zhàn)斗部裝藥可靠度置信下限為:

RL=Φ(W-μγσW)

若無(wú)法利用試驗(yàn)獲取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),可利用AUTODYN數(shù)學(xué)仿真計(jì)算戰(zhàn)斗部與目標(biāo)碰撞過(guò)程中所受應(yīng)力極限值得fl=L;給定了置信度γ,則侵徹彈戰(zhàn)斗部可靠性置信下限可用如下方法獲得。

令K=(μs-L)/σs

3 算例

某型侵徹彈裝藥可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)為置信度0.9,可靠度0.998。由于火箭橇試驗(yàn)成本昂貴,產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型階段進(jìn)行了12發(fā)戰(zhàn)斗部火箭撬試驗(yàn),12發(fā)戰(zhàn)斗部裝藥共分4批次進(jìn)行加工,出廠驗(yàn)收試件共選取12個(gè),利用圍壓試驗(yàn)獲取其抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)共獲得12發(fā)有效的戰(zhàn)斗部裝藥侵徹過(guò)載數(shù)據(jù),如表2所示。根據(jù)AUTODYN數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)計(jì)算得到的應(yīng)力極限值為200.8 MPa。

由表1中的數(shù)據(jù)可以得到,裝藥抗壓強(qiáng)度均值為302.18 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為19.05 MPa;由表2中的數(shù)據(jù)可以得到,侵徹過(guò)程中裝藥所承受的應(yīng)力分布均值為132.06 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為27.25 MPa。利用2.1節(jié)中的可靠度計(jì)算方法計(jì)算得到該戰(zhàn)斗部裝藥的安定性可靠度為0.999 969。利用2.2節(jié)中的可靠度計(jì)算方法計(jì)算得到侵徹彈的可靠度為0.999 908。從計(jì)算結(jié)果可以看出,利用仿真結(jié)果評(píng)定裝藥安定性是可行的。

表1 裝藥抗壓強(qiáng)度序號(hào)試件強(qiáng)度/MPa1284.92314.23311.24326.75313.46299.37263.68275.19298.510303.511318.912316.9表2 試驗(yàn)測(cè)試過(guò)載序號(hào)過(guò)載/g應(yīng)力/MPa12335.7109.922435.6114.632805.4132.043398.4159.953368.6158.563647.0171.672125.3100.082142.3100.893224.1151.7102833.1133.3113332.5156.8122031.895.6

表1 裝藥抗壓強(qiáng)度序號(hào)試件強(qiáng)度/MPa1284.92314.23311.24326.75313.46299.37263.68275.19298.510303.511318.912316.9表2 試驗(yàn)測(cè)試過(guò)載序號(hào)過(guò)載/g應(yīng)力/MPa12335.7109.922435.6114.632805.4132.043398.4159.953368.6158.563647.0171.672125.3100.082142.3100.893224.1151.7102833.1133.3113332.5156.8122031.895.6

4 結(jié)論

文中給出了一種利用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論進(jìn)行戰(zhàn)斗部裝藥安定性評(píng)估的方法,在試驗(yàn)條件能夠滿足的情況下可以更為精確的評(píng)估出戰(zhàn)斗部裝藥安定性可靠度。在試驗(yàn)成本等條件受限的情況下,采用AUTODYN數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)計(jì)算獲得戰(zhàn)斗部裝藥在碰撞過(guò)程中所受的最大應(yīng)力,也可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部裝藥工作可靠度科學(xué)評(píng)估。該評(píng)估方法解決了高價(jià)值彈藥戰(zhàn)斗部裝藥安定性無(wú)法評(píng)估的問(wèn)題。不僅科學(xué)合理,而且可大幅降低試驗(yàn)消耗。

[1] 周正伐. 航天可靠性工程 [M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2006: 69-80.

[2] 黃民榮, 顧曉輝, 高永宏. 剛性彈丸侵徹鋼筋混凝土的實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)化分析模型 [J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2009, 24(4): 283-290.

[3] 武海軍, 黃風(fēng)雷, 金乾坤, 等. 彈體貫穿鋼筋混凝土數(shù)值模擬 [J]. 爆炸與沖擊, 2003, 23(6): 545-550.

[4] 陳龍偉, 孫遠(yuǎn)翔, 寧建國(guó). 動(dòng)能彈對(duì)混凝土靶板侵徹三維數(shù)值模擬 [J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(5): 536-539.

[5] 歐陽(yáng)春, 趙國(guó)志, 李向東, 等. 長(zhǎng)桿彈對(duì)陶瓷復(fù)合裝甲斜侵徹的數(shù)值模擬 [J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 29(3): 277-280.

[6] 姜華, 王君杰. 彈體侵徹混凝土數(shù)值模擬失效指標(biāo)研究 [J]. 振動(dòng)與沖擊, 2009, 28(8): 30-34.

Evaluating Method for Stability of Warhead Charge of Guided Munition

WANG Chang’an1,WU Wei1,WANG Guangwei1,YAO Wenjin2

(1 Baicheng Ordnance Test Center of China, Jilin Baicheng 137001, China; 2 Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

At present, stability evaluation of warhead is difficult in ammunition identification test because of limitation of missile quantity. In this paper, according to compression strength data got by confining pressure test of warhead charge, using AUTODYN mathematical simulation system to calculate or test method to obtain the maximum stress of warhead during collision. Based on stress-strength interference theory, a new method was presented for evaluating stability of warhead. This method is not only scientific and reasonable, but also can greatly reduce test cost.

warhead charge; stability; stress-strength interference; confining pressure test; mathematical simulation

2015-06-22

王長(zhǎng)安(1979-),男,吉林人,工程師,碩士,研究方向：導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

TJ410.3

A