模擬發射環境下的引信瞬態響應方法

王鵬釗，顧 強，李培英，李世中

(1.中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；2.邯鄲學院，河北 邯鄲 056005)

0 引言

由于引信內彈道環境試驗往往需要大量樣本才能對其進行有效的考核，想要獲取大量樣本就必不可少地要進行成百上千的實彈打靶，對于高價值彈藥，可能出現研發周期延長或研發費用增加的情況，因此引信發射環境模擬研究是解決上述問題的有效方法之一。

國內已有采用氣體炮模擬雙環境力[1-3]、電磁驅動模擬雙環境力[4-5]為引信發射環境動態模擬試驗提供了一種通用平臺，或采用炮射模擬測試系統，通過將經典內彈道數學理論[6]與數值仿真相結合的方法以擬合得出裝藥量與彈丸后坐過載、彈丸轉速的函數關系[7-6]，但都限于雙環境力約束。

本文針對此問題，提出了以低過載、高價值彈藥引信環境模擬的多自變量算法為基礎[9-11]，實現以多環境力為約束條件，進行引信發射環境的瞬時動態響應分析，為引信發射環境模擬實驗的可靠性分析提供參考。

1 引信模擬發射環境的確定

在模擬發射環境研究的過程中，為研究裝填諸元對發射環境的影響，本文直接利用Matlab軟件編寫代碼來模擬發射環境[12-13]，試驗彈模擬的引信發射環境曲線如圖1所示。

圖1 試驗彈發射環境Fig.1 The environment of the test bomb launch

根據圖1可知，試驗彈的膛壓范圍30～180 MPa，炮口臨界速度范圍600～800 m/s，后坐過載峰值為6 000～7 000g。

2 試驗彈建模及網格劃分

使用SolidWorks 2018軟件建立試驗彈的簡化模型如圖2所示，將其導入ANSYS Workbench軟件并選定材料參數，如表1所示。

圖2 試驗彈簡化模型Fig.2 Simplified test bomb model

表1 材料種類和性質

通過對比不同網格劃分方式進行網格劃分。通過MeshMetric中的ElementQuality功能來分析網格劃分的質量，當圖3中網格系數越趨近0.85時，網格劃分數量越多、質量越好，故最終選用智能劃分網格的方式，如圖4所示。

圖4 試驗彈引信網格劃分Fig.4 Meshing of test bomb fuze

劃分網格數量越多對仿真結果的結算越精準，但因計算機性能對結算時間和結果影響較大，網格一旦劃分較小便會出現仿真錯誤的現象，故合理的劃分網格既充分利用了計算機性能又能得出較精準的仿真結果。綜合考慮，最終選取Element Metrics為1來進行后續分析。

3 試驗彈發射環境動態響應分析

對試驗彈進行模擬發射的瞬態動力學仿真分析和諧波響應分析，觀察試驗彈引信在發射環境模擬中的動態響應情況。

3.1 瞬態動力學分析

觀察該模型在施加要求的載荷與約束后，目標彈模型仿真分析的結果能否與處于該載荷下目標彈的其他諸元相吻合，以確定該簡易模型能夠較為準確地反映目標彈引信在發射環境中的狀態。

對目標彈模型彈底施加目標彈發射環境要求，并且彈丸在膛內時隨時間變化的膛壓以及轉速載荷，并限制目標彈在徑向的位移，建立瞬態動力學仿真分析條件。載荷施加完成后，調整分析系統的各個參數，將分析模式改為按時間為進度的模式，將圖1中的時間橫坐標等分為20個時間幀，每個單獨的時間幀中進行兩步分析，得到一共40個時間步長的目標彈軸向、整體速度圖以及應力應變曲線圖，如圖5所示。

圖5 瞬態動力學仿真分析Fig.5 Simulation analysis of transient dynamics

由圖5中曲線可知，該模型在施加了發射環境載荷的狀態下能夠準確地再現目標彈在膛內的動態情況，其速度、加速度趨勢及大小滿足目標彈的真實情況，其應力應變也都處于材料能夠承受的范圍內，因此該模型能夠滿足代替目標彈進行仿真的要求，對其仿真可以一定程度地反映目標彈的各種動態響應。

3.2 模態與諧波響應仿真分析

觀察試驗彈引信在發射環境中的固有頻率范圍，既為諧振響應分析提供仿真前期必要條件，也為試驗彈的設計提供參考。諧振響應仿真分析主要觀察試驗彈引信在膛壓載荷下的振動響應，為試驗彈動態響應特性分析提供參考對象，如圖6、圖7所示。

圖6 模態響應云圖Fig.6 Modal response cloud

圖7 各典型膛壓下的諧振響應Fig.7 Resonance response under various typical bore pressures

選取五個膛壓數據點，作為諧振響應仿真的施加載荷，從而可解算出引信在試驗彈中軸向位移、徑向位移和軸向速度的響應幅值。

經過模態仿真以及諧振響應仿真分析可得：實彈在選取的五個膛壓點下的徑向、軸向位移和軸向速度的振幅隨振動頻率的變化情況，組成整個試驗彈引信的動態響應特性。

3.3 試驗彈與目標彈引信仿真對比分析

將引信安裝在試驗彈時的動態響應與安裝在目標彈上時的發射環境進行比對，分別觀察引信在試驗彈彈頭、彈中、彈中后和彈尾時的響應狀態。結果顯示引信安裝在試驗彈彈尾部時仿真曲線與目標彈發射環境的動態響應最為相似，基本達到與目標彈發射環境一致的要求，如圖8所示。引信安裝于彈尾時三維簡化模型如圖9所示。

圖8 引信置于彈尾時響應對比圖Fig.8 Comparison of the response of the fuze when it is placed at the tail

圖9 引信置于彈尾時三維簡化模型Fig.9 Simplified three-dimensional model when the fuze is placed at the tail

4 結論

本文提出了模擬發射環境下的引信瞬態響應方法。該方法使用ANSYS WORKBENCH進行建模與網格劃分，進行瞬態動力學分析、模態與諧振響應仿真分析。試驗驗證結果表明，該試驗彈模型代替目標彈進行仿真分析具有可行性，標定試驗彈模擬發射環境并明確引信在不同裝定位置的特性差異，為引信模擬試驗及性能測試提供了方法。