侵徹過程中彈引系統(tǒng)的沖擊傳遞特性研究

張冬梅，高世橋，李世中

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100081)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高價(jià)值硬目標(biāo)的防護(hù)能力越來越強(qiáng)。針對(duì)這樣堅(jiān)固的防護(hù)目標(biāo)，侵徹彈不僅重量不斷增加，彈體材料強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，撞擊速度也在不斷提高。高堅(jiān)硬目標(biāo)、高強(qiáng)度彈體、高速撞擊幾個(gè)要素合為一體就意味著侵徹過程中有極端的高過載。在高過載環(huán)境下，彈引系統(tǒng)、尤其是智能引信的起爆控制系統(tǒng)組件能否經(jīng)受住沖擊，正常工作而不失效，是個(gè)非常突出和關(guān)鍵的問題[1-5]。

為了防止器件的失效和破壞，通常都采用一些緩沖或加固的手段來解決這類問題[6]。對(duì)于簡(jiǎn)單的低速?zèng)_擊，適當(dāng)?shù)木彌_和加固確實(shí)能解決一些問題[7]。然而對(duì)于較復(fù)雜的高速?zèng)_擊環(huán)境下，一般的緩沖加固辦法并不奏效，其原因是過載沖擊在彈體及引信體內(nèi)部的分布和傳遞太復(fù)雜[8-11]。高世橋等人對(duì)過載從彈體到引信體的傳遞過程進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)由于侵徹過程中彈體與引信體之間的螺紋連接界面上碰撞作用，導(dǎo)致引信體的過載峰值高于彈體的過載峰值，頻率成分也更加豐富[9-15]。因此，如果對(duì)過載環(huán)境、沖擊傳遞的特性認(rèn)識(shí)不夠，按照一般感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行緩沖和加固，會(huì)出現(xiàn)許多無法預(yù)期的失效問題。

本文針對(duì)侵徹彈內(nèi)部器件失效問題，通過數(shù)值仿真方法，分析了侵徹過程中彈引系統(tǒng)的沖擊傳遞特性，利用ANSYS/LS-DYNA軟件開展了不同目標(biāo)侵徹過程的數(shù)值模擬，得到了侵徹過程中彈引系統(tǒng)各部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，揭示了彈引系統(tǒng)的沖擊傳遞特性，為智能引信及其內(nèi)部器件的有效防護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 建模及仿真

1.1 數(shù)值仿真模型

首先在TRUGRID前處理軟件中建好整個(gè)系統(tǒng)的三維有限元模型，然后導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中添加材料、施加載荷及邊界條件，最后輸出K文件到DYNA中進(jìn)行計(jì)算。

為了分析安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，分別在彈殼頭部和尾部設(shè)置了兩套測(cè)試系統(tǒng)，由于測(cè)試系統(tǒng)的作用與實(shí)際侵徹彈的引信相同，所以這里將測(cè)試系統(tǒng)稱為引信。引信主要由：引信外殼(安裝有傳感器)、電路板、灌封膠、橡膠墊片以及電路板等零部件組成，為了分析安裝方式對(duì)引信及其內(nèi)部器件的影響，弾尾引信被壓接在一個(gè)套筒中，套筒通過螺紋安裝在彈殼上。為了固定兩套測(cè)試系統(tǒng)，彈頭和弾尾兩個(gè)引信中間通過一個(gè)空心圓柱(支撐筒)進(jìn)行固定。彈引系統(tǒng)的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 彈引系統(tǒng)剖面的有限元模型示意圖

1.2 材料模型與參數(shù)

1) 電路板。電路板材料使用各向同性線彈性材料模型*MAT_ELASTIC。材料模型參數(shù)如表1、表2所示。

表1 電路板材料模型參數(shù) cm-g-us

表2 鋼材料模型參數(shù) cm-g-us-K

2) 彈殼。彈殼、引信殼以及靶板材料均為為高強(qiáng)度合金鋼35CrMnSiA，采用Johnson-Cook材料模型。該模型常用于應(yīng)變率在很大范圍內(nèi)變化及由于塑性加熱引起材料軟化導(dǎo)致絕熱溫度上升的問題。該模型需要用狀態(tài)方程。

在Johnson-Cook模型中，流動(dòng)應(yīng)力的表達(dá)式為

(1)

失效應(yīng)變的表達(dá)式為

εf=[D1+D2eD3σ*][1+D4lnσ*][1+D5T*]

(2)

該材料模型采用GRUNEISEN狀態(tài)方程來模擬金屬材料在大應(yīng)力情況下的行為特性，在壓縮狀態(tài)下的材料壓力表達(dá)式為

(3)

在膨脹狀態(tài)下，材料的壓力表達(dá)式為

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E

(4)

(5)

在上述兩種列式中，體積響應(yīng)都是彈性的，因此，壓力是由當(dāng)今體積應(yīng)變率按下式來計(jì)算：P=-Kεv，其中K為彈性體積模量。這種粘彈性模式對(duì)于速率相關(guān)彈性材料是適用的，也可以有效地用于具有偏剪切變形的任何粘消耗材料，如環(huán)氧樹脂(表3)。

表3 環(huán)氧樹脂材料模型參數(shù) cm-g-us

4) 橡膠墊。由于橡膠本構(gòu)關(guān)系的非線性化，以及橡膠制品在應(yīng)用時(shí)的大變形、接觸非線性邊界條件使其工程模擬變的非常困難。模擬的準(zhǔn)確性與采用的本構(gòu)關(guān)系模型以及模型中材料常數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確性有密切關(guān)系。本次分析以橡膠中常用的Mooney-Rivlin材料作為橡膠的本構(gòu)模型，可通過C10、C01和泊松比ν來定義應(yīng)變能量密度函數(shù)：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+

表4 橡膠材料參數(shù) cm-g-us

模型網(wǎng)格文件生成后，添加材料以及控制參數(shù)，輔之以額外的約束條件，還有無限厚靶板遠(yuǎn)端處非反射邊界條件，初速度的定義，沙漏控制參數(shù)的設(shè)置，就可代入求解器LS-DYNA中進(jìn)行計(jì)算。

1.3 仿真工況設(shè)計(jì)

為了研究侵徹目標(biāo)對(duì)彈引系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響，設(shè)計(jì)了如表5所示的4種仿真工況。

表5 仿真工況設(shè)計(jì)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 單層靶結(jié)果分析

彈引系統(tǒng)垂直侵徹一層2 cm厚鋼板的動(dòng)畫過程如圖2所示。

圖2 彈引系統(tǒng)穿靶過程示意圖

圖3～圖6分別為彈引系統(tǒng)以1 000 m/s的初始速度，垂直侵徹一層2 cm厚鋼板得到的過載時(shí)程曲線。

圖3 彈殼、套筒、傳感器的過載時(shí)程曲線

由圖3可知：彈丸內(nèi)部套筒和傳感器的過載變化明顯滯后于彈殼；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈殼，通過螺紋連接在彈殼上的套筒以及壓接于內(nèi)部的傳感器的過載信號(hào)震蕩的幅度更大，過載峰值更高。

由圖4可知：弾尾傳感器的加速度變化明顯滯后于彈頭傳感器測(cè)得的加速度；由于界面碰撞、應(yīng)力波在界面的反射等作用，相對(duì)于彈頭傳感器，安裝在套筒內(nèi)部的弾尾傳感器的信號(hào)震蕩的幅值更大，但加速度峰值明顯小于彈頭傳感器。

圖4 傳感器的過載時(shí)程曲線

圖5所示為彈殼和弾尾傳感器及其內(nèi)部器件的加速度時(shí)程曲線。由圖5可知：傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷峰值減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5 弾尾引信的過載時(shí)程曲線

圖6所示為弾頭傳感器及其內(nèi)部器件的過載時(shí)程曲線。由圖6可知：傳感器內(nèi)部所有器件的加速度和速度變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。與弾尾傳感器及其內(nèi)部器件相比，彈頭所承受的沖擊載荷更大。

圖6 彈頭引信的過載時(shí)程曲線

彈殼、安裝弾尾傳感器的套筒、傳感器及電路板同一時(shí)刻的應(yīng)力云圖如圖7～圖10。

圖7 彈殼的應(yīng)力云圖

圖8 套筒的應(yīng)力云圖

圖9 傳感器的應(yīng)力云圖

圖10 電路板的應(yīng)力云圖

由圖7～圖10可知：彈殼此刻最大應(yīng)力是5 417 MPa，通過螺紋連接于彈體上的套筒此刻最大應(yīng)力是402.5 MPa，通過壓接安裝在套筒內(nèi)部的弾尾傳感器此刻最大應(yīng)力是349.1 MPa；彈頭傳感器此刻最大應(yīng)力是1725 MPa，彈尾傳感器此刻最大應(yīng)力是338 MPa；采用橡膠墊、灌封膠等保護(hù)的弾尾電路板最大應(yīng)力是84.83 MPa，彈頭電路板最大應(yīng)力是338 MPa。對(duì)比這些數(shù)據(jù)中可以看出從彈丸到內(nèi)部電路板，各部件的最大應(yīng)力在不斷減小；由于彈頭受到的沖擊比較大，彈頭器件的應(yīng)力要大于弾尾器件的應(yīng)力。

2.2 兩層靶仿真結(jié)果分析

2.2.1兩靶間距20 cm

圖11～圖14分別為彈引系統(tǒng)以1 000 m/s的初始速度，垂直侵徹兩層間距為20 cm鋼板得到的過載時(shí)程曲線。

圖11 彈殼、套筒、傳感器的過載時(shí)程曲線

由圖11可知：彈丸內(nèi)部套筒和傳感器的過載變化都明顯滯后于彈殼；相對(duì)于彈殼，通過螺紋連接在彈殼上的套筒及其內(nèi)部的傳感器的信號(hào)更加復(fù)雜。由于靶板間距很小，穿靶時(shí)間(通過兩靶間距的時(shí)間)與過載周期接近，傳感器測(cè)得的加速度信號(hào)中穿靶過程中產(chǎn)生的峰值不再明顯。

由圖12可知：弾尾的傳感器的過載變化都明顯滯后于彈頭的傳感器；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈頭傳感器，安裝在套筒內(nèi)部的弾尾傳感器的信號(hào)震蕩的幅值更大，但加速度峰值明顯小于彈頭傳感器。由于靶板間距很小，穿靶周期與過載周期接近，傳感器測(cè)得的加速度信號(hào)中穿靶過程中產(chǎn)生的峰值不再明顯。尤其是彈頭傳感器測(cè)得的加速度信號(hào)，不但峰值明顯增大，而且穿層產(chǎn)生的變化周期更加不明顯。

圖12 傳感器的過載時(shí)程曲線

圖13所示為弾尾傳感器及其內(nèi)部器件的過載曲線。由圖13可知，傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于套筒和傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于穿靶頻率較低，與傳感器、電路殼及電路板的固有頻率接近，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致穿第二層靶時(shí)彈丸及其內(nèi)部器件承受的過載峰值增大。

圖13 弾尾引信的過載時(shí)程曲線

圖14所示為弾頭傳感器及其內(nèi)部器件的過載曲線。由圖14可知：傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。與弾尾傳感器及其內(nèi)部器件相比，彈頭所承受的沖擊載荷更大。類似地，由于穿靶頻率較低，導(dǎo)致穿第二層靶時(shí)彈丸及其內(nèi)部器件承受的沖擊載荷峰值增大。

2.2.2兩靶間距40 cm

圖15～圖18分別為彈引系統(tǒng)以1 000 m/s的初始速度，垂直侵徹兩層間距為40 cm鋼板得到的過載時(shí)程曲線。

圖15 彈殼、套筒、傳感器的過載時(shí)程曲線

由圖15可知：彈丸內(nèi)部套筒和傳感器的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈殼，通過螺紋連接在彈殼上的套筒及其內(nèi)部的傳感器的信號(hào)更加復(fù)雜。

由圖16可知：弾尾的傳感器的過載變化明顯滯后于彈頭的傳感器；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈頭傳感器，安裝在套筒內(nèi)部的弾尾傳感器的信號(hào)震蕩的幅值更大，但加速度峰值明顯小于彈頭傳感器。由于靶板間距增加，傳感器測(cè)得的加速度信號(hào)中穿靶過程中產(chǎn)生的峰值較明顯。

圖16 傳感器的過載時(shí)程曲線

圖17所示為弾尾傳感器及其內(nèi)部器件的過載時(shí)程曲線。由圖17可知：傳感器內(nèi)部所有器件的加速度和速度變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于套筒傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小。在穿透第二層靶板時(shí)，橡膠墊片變形嚴(yán)重，吸能作用減弱，導(dǎo)致內(nèi)部器件承受了較大的沖擊載荷。

圖17 弾尾引信的過載時(shí)程曲線

圖18所示為弾頭傳感器及其內(nèi)部器件的過載時(shí)程曲線。由圖18可知：傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。與弾尾傳感器及其內(nèi)部器件相比，彈頭所承受的沖擊載荷更大。類似地，在穿透第二層靶板時(shí)，橡膠墊片變形嚴(yán)重，吸能作用減弱，導(dǎo)致內(nèi)部器件承受了較大的沖擊載荷。

圖18 弾頭引信的過載時(shí)程曲線

2.2.3兩靶間距60cm

圖19～圖22分別為彈引系統(tǒng)以1 000 m/s的初始速度，垂直侵徹兩層間距為60 cm鋼板得到的過載時(shí)程曲線。

圖19 彈殼、套筒、傳感器的過載時(shí)程曲線

圖20 傳感器的過載時(shí)程曲線

圖21 弾頭引信的過載時(shí)程曲線

由圖19可知：彈丸內(nèi)部套筒和傳感器的加速度和速度變化都明顯滯后于彈殼；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈殼，通過螺紋連接在彈殼上的套筒及其內(nèi)部的傳感器的信號(hào)更加復(fù)雜。

由圖20可知：弾尾的傳感器的過載變化明顯滯后于彈頭的傳感器；由于界面碰撞等沖擊作用，相對(duì)于彈頭傳感器，安裝在套筒內(nèi)部的弾尾傳感器的信號(hào)震蕩的幅值更大，但加速度峰值明顯小于彈頭傳感器。由于靶板間距很大，傳感器測(cè)得的加速度信號(hào)中穿靶過程中產(chǎn)生的峰值比較明顯。

圖21所示為弾尾傳感器及其內(nèi)部器件的過載時(shí)程曲線。由圖21可知：傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于套筒和傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小。由于兩層靶板之間距離增加，在穿透第二層靶板時(shí)，橡膠墊片變形已恢復(fù)，能夠有效保護(hù)內(nèi)部器件。

圖22所示為弾頭傳感器及其內(nèi)部器件的過載時(shí)程線。由圖22可知，傳感器內(nèi)部所有器件的過載變化都明顯滯后于彈殼；由于橡膠墊和灌封膠的緩沖作用，相對(duì)于傳感器，安裝在內(nèi)部的電路板受到的沖擊載荷減小了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。與弾尾傳感器及其內(nèi)部器件相比，彈頭所承受的沖擊載荷更大。類似地，由于兩層靶板之間距離增加，在穿透第二層靶板時(shí)，橡膠墊片變形已恢復(fù)，能夠有效保護(hù)內(nèi)部器件。

3 結(jié)論

1) 在彈引系統(tǒng)侵徹靶板的過程中，彈丸頭部承受的沖擊載荷要大于彈丸尾部承受的沖擊載荷；

2) 對(duì)于剛性連接，如螺紋連接或壓接，由于界面碰撞等作用導(dǎo)致內(nèi)部零件承受的沖擊載荷增大；

3) 通過橡膠墊片、灌封膠等的保護(hù)，內(nèi)部的電路板收到的沖擊載荷明顯減小；

4) 在侵徹多層靶板過程中，當(dāng)彈丸的穿靶頻率與侵徹單層靶板的脈沖頻率接近時(shí)，穿靶過程中產(chǎn)生的峰值不再明顯，即產(chǎn)生了信號(hào)粘連現(xiàn)象；

5) 變形后的橡膠墊在充分恢復(fù)后才能夠有效保護(hù)內(nèi)部器件，因此，應(yīng)該根據(jù)層間距調(diào)整橡膠墊片的尺寸。