基于LS-DYNA的導彈引信觸地過載仿真分析*

馮彥哲, 馮鵬洲, 鄧 鵬, 陳福紅

(1 四川航天系統工程研究所, 成都 610100; 2 中國運載火箭技術研究院, 北京 100076; 3 沈陽理工大學, 沈陽 110159)

基于LS-DYNA的導彈引信觸地過載仿真分析*

馮彥哲1, 馮鵬洲2, 鄧 鵬3, 陳福紅1

(1 四川航天系統工程研究所, 成都 610100; 2 中國運載火箭技術研究院, 北京 100076; 3 沈陽理工大學, 沈陽 110159)

為了深入分析導彈引信觸地過載環境,采用LS-DYNA軟件對四種不同落速落角條件下的觸地過載進行了仿真計算,得出了四種條件下的引信觸地過載曲線,結合應力波和過載在彈體內的傳遞過程,總結出了以加速度傳感器為基礎的引信慣性觸發發火控制系統設計的相關規律。這些規律對慣性敏感元件的布局、引信強度校核和發火控制邏輯設計具有參考價值。

引信;觸地過載;LS-DYNA;數值仿真

0 引言

由于電子安全系統具有安全性、可靠性高,通用性好,環境信息接收與處理能力強,與制導系統融合便于實現制導引信一體化等諸多優點[1],在導彈引信中的應用越來越廣泛。

采用電子安全系統的引信,觸發功能通常由以加速度傳感器為基礎的過載檢測電路實現,具有瞬發度高,可實現較復雜邏輯功能等優勢,實現觸地作用引戰匹配最佳效果。

引信對采集到的過載信號進行信號處理,按預設發火控制邏輯起爆雷管。發火控制邏輯設計需要相對準確的過載時間歷程曲線,以區分干擾信號和觸地過載信號,消除引信早炸隱患,確保引信作用可靠性。

導彈觸地過程與土壤的性質、彈重、彈形、彈觸地姿態和彈落速等因素相關,目前尚無公認的完善理論模型。過去多采用半經驗公式計算,由于年代久遠,當時試驗條件已不能完全反映現代情況,需要根據現代條件下的試驗數據加以修正[2]。

文中根據文獻[3]提供的彈靶參數,運用文獻[4]和文獻[5]中的半經驗公式派洛弟公式和薩布斯基公式計算得到的觸地過載值,與文獻[3]中試驗實測值相差較大。而通過大量試驗得到過載數據的時間進度成本和經濟成本高昂,實際操作亦十分困難,難以滿足低成本、快速化的設計要求,而數值仿真分析方法可以解決這一問題。

1 數值仿真

通用顯式動力分析軟件LS-DYNA特別適合非線性結構的沖擊動力學問題,在高速碰撞分析、侵徹動力學分析等領域得到了深入廣泛的應用[6]。采用LS-DYNA軟件仿真分析地對地導彈觸地動態環境切實可行,能夠得到相對準確的分析結果。

1.1 仿真模型

如圖1、圖2,導彈模型簡化為頭部、前段、中段和后段4個部分,各部分接觸面共節點。每個部分又分為殼體和填充體,殼體材料與真實導彈保持一致,結構合理簡化,填充體采用等效密度,保證各部分重量與實際一致。引信位于前段,所處位置的填充體節點加速度表征引信過載。

用半無限土壤靶模擬大地,對稱面施加對稱約束,其它邊界施加無反射邊界條件,以消除沖擊波在邊界處反射對結果的影響。

文獻[3]對國內外常用半經驗公式進行量綱分析后得出結論:影響侵徹過載的主要因素有彈體參數、目標介質特性、落速和落角等。作戰時,彈體參數和目標介質特性是已知的,對觸地過載影響最大因素是落速和落角。根據彈道數據,導彈分別以最高落速680 m/s、最低落速350 m/s、最大落角90°和最小落角40°共4種組合的初始條件撞擊土壤靶。為了減少計算時長,90°落角條件下只建立四分之一模型,如圖1。40°落角條件下建立二分之一模型,如圖2。模型采用g-cm-μs單位制,三維實體單元Solid164。

1.2 假設

為了提高計算效率,作出如下合理假設:

a)彈靶撞擊全過程不考慮熱效應;

b)忽略空氣阻力;

c)忽略導彈重力;

d)彈靶初始應力值均為零。

1.3 網格劃分

使用HyperMesh軟件對彈體和土壤靶幾何模型進行合理分割,劃分質量較好的映射網格,見圖3。土壤靶尺寸較大,為提高計算效率,采用變網格方式劃分,即彈著點附近較密,其它區域相對較疏。參照文獻[7],使導彈半徑與網格邊長比值在6左右。

1.4 材料模型及破壞準則

導彈和土壤分別選用Johnson-Cook材料模型和Plastic-Kinematic材料模型,各部段材料參數見表1。

表1 彈靶材料參數[6,8]

金屬材料和土壤分別以失效應力和失效應變作為失效判據,若材料失效,則失效單元被刪除。

1.5 接觸算法

彈靶之間采用面-面侵蝕接觸算法“CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE”。該接觸算法基于罰函數原理,在節點與被穿透面之間引入界面接觸力,稱為罰函數值,其大小與穿透深度和接觸剛度成正比,物理含義為在兩者間放置一法向彈簧,以限制節點對面的穿透。

由于彈與靶的材料性質相差懸殊,面-面侵蝕接觸算法的默認參數值不再適用,應將選項SOFT值設置為1,并根據碰撞過程穿透情況,調整縮放因子SLSFAC。

2 結果與分析

導彈落速取350 m/s和680 m/s,落角取40°和90°,兩兩組合后得到4種仿真模型,這四種模型中落速和落角均取極限值,計算結果具有代表性。

2.1 觸地過程應力分析

根據文獻[9],應力波是兩物體高速撞擊過程中應力傳遞的一種形式。當沖擊載荷的作用時間小于撞擊物體的固有周期時,彈塑性應力波將在物體中傳播,從而引起物體中每一點的應力、位移、速度和加速度發生突變。研究表明,應力波傳播對觸地過載(加速度)影響為:

a)導彈某點加速度峰值由應力波傳播過程中該點的加速度突變引起,靶的材質越“硬”,突變越強,則加速度峰值越高。對于Plastic-Kinematic材料模型的土壤靶,彈性模量值對過載峰值影響較大。彈性模量的準確取值對結果的準確性至關重要。

b)觸地過程中加速度是時間的函數,該函數與應力波的傳播時間相關,故彈尾部加速度響應滯后于彈頭部。引信越靠近彈頭,過載傳遞到引信的時間越短,瞬發度越高。從提高瞬發度的角度,引信應盡量靠近彈頭。

c)加速度峰值在應力波前處,隨后加速度值迅速下降,峰值的脈寬一般很窄。所以仿真時間步長取值應足夠小,否則峰值可能失真,小于真實值。

2.2 引信觸地過載分析

圖4為90°落角,680 m/s落速條件下引信觸地過載時間歷程曲線,過載傳遞到引信位置大約需要80 μs,歷時約40 μs軸向過載升至第一個峰值約15 000。對于以加速度傳感器作為信息感知元件的引信發火控制系統,應在過載上升至第一個峰值前完成加速度采集、處理和作出發火決策。

觸發引信通常選取軸向過載作為發火能量來源或者環境激勵,單軸加速度傳感器敏感方向平行彈軸,徑向過載對加速度傳感器是不利的。由于引信偏離軸線不遠,圖4中徑向過載與軸向過載相比可以忽略,故引信觸發發火控制系統應盡量布置于彈軸附近。

圖5中過載傳遞到引信位置大約需要80 μs,此后歷時約40 μs軸向過載升至第一個峰值約10 000。其它條件不變,落速降低,過載峰值明顯下降,主要原因是導彈動能降低。

如圖6和圖7,過載傳遞到引信位置大約需要80 μs,再歷時約40 μs軸向過載升至第一個峰值,680 m/s落速時為10 000左右,350 m/s落速減少至約6 000,均明顯小于90°落角條件下的對應過載。另外,徑向過載仍明顯小于軸向過載,這與引信靠近軸線布置有關,仿真結果表明導彈殼體上的徑向過載遠高于引信徑向過載。

4種條件下觸地開始到過載傳遞到引信的時間均為80 μs左右,該值與落速落角關系不大,主要與導彈結構和引信所處位置相關,這與應力波相關理論是吻合的。

2.3 結果分析

由于土壤性質的復雜性,以及應用領域的局限性,查閱國內外大量文獻,尚未發現高速碰撞土壤靶的相關試驗數據,仿真結果的準確性暫時無法得到驗證,待將來獲取試驗數據后填補這一空白。但可以從上述4種條件下的仿真結果對比中,得到關于引信慣性敏感觸發發火控制系統設計的規律:

a)從提高瞬發度角度,引信應盡量靠近彈頭。

b)引信軸向觸地過載的方向正負交替,應重點關注第一個峰值前的過載曲線,并注意加速度方向與過載方向相反,加速度傳感器正方向與導彈飛行方向應相反。

c)慣性敏感元件應選取軸向觸地過載作為環境激勵,并盡量布置于彈軸附近,以減少徑向過載的影響。

d)最低落速和最小落角條件下的軸向過載峰值最小,應以該過載曲線為基準設計發火決策,保證觸發可靠性;最高落速和最大落角條件下的軸向過載峰值最大,應以此為依據校核引信結構強度,進行抗過載防護設計。

e)采用加速度傳感器的慣性觸發發火控制系統,應合理選取處理器讀取加速度值的頻率、次數和閾值。模擬輸出加速度傳感器輸出的是電壓,在戰場復

雜電磁環境下,易受干擾,如果取值頻率過高,次數過少,閾值偏低,處理器會將干擾信號誤認為加速度信號而誤發火,導致引信早炸。反之,作出發火決策的時間會延長,瞬發度降低,甚至導致引信瞎火。

3 結論

運用LS-DYNA軟件,采用失效侵蝕接觸算法對導彈引信觸地過程進行了數值仿真,對應力波和過載在彈體內傳遞進行了分析,對比分析4種不同落速落角條件下的引信觸地過載曲線,得出了引信慣性敏感觸發發火控制系統設計的相關規律,為慣性敏感元件的布局、引信強度校核和發火控制邏輯設計提供了參考。

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[4] 曹柏楨. 飛航導彈戰斗部與引信 [M]. 北京: 宇航出版社, 1995: 343-344.

[5] 王儒策, 趙國志. 彈丸終點效應 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1993: 9-10.

[6] 尚曉江, 蘇建宇, 王化鋒. ANSYS/LS-DYNA動力分析方法和工程實例 [M]. 2版. 北京: 中國水利出版社, 2008: 1, 217.

[7] 門建兵, 隋樹元, 蔣建偉, 等. 網格對混凝土侵徹數值模擬的影響 [J]. 北京理工大學學報, 2005, 25(8): 659-662.

[8] Livermore Software Technology Corporation (LSTC). LS-DYNA Keyword User’s Manual: Volume I (Version 971) [M]. California: LSTC, 2007.

[9] 王禮立. 應力波基礎 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1985: 28-30.

SimulationAnalysisoftheTouchdownOverloadofMissileFuzeBasedonLS-DYNA

FENG Yanzhe1, FENG Pengzhou2, DENG Peng3, CHEN Fuhong1

(1 Research Institute of Sichuan Aerospace System Engineering, Chengdu 610100, China; 2 China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China; 3 Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

In order to deeply analyze the touchdown overload environment of missile fuze, the touchdown overloads with four kinds of falling velocity and falling angle were simulated using LS-DYNA, then the touchdown overload curves of fuze under four different conditions were obtained. Refer to the propagation progress of stress wave and overload in missile bodies, the relevant rules of design of the fuze inertia trigger firing control system based on acceleration transducer were summarized. These rules had reference values for the layout of inertial sensors, fuze strength check and the logical design of ignition control.

fuze; touchdown overload; LS-DYNA; numerical simulation

TJ43

A

2016-07-12

馮彥哲(1984-),男,湖北當陽人,工程師,研究方向:火箭彈、導彈引信系統分析與總體設計。