引信在長期貯存下老化行為的仿真模擬與分析

婁文忠，李昕哲,3，馮恒振*，何博，蘇文亭，呂斯寧，李志鵬

引信在長期貯存下老化行為的仿真模擬與分析

婁文忠1,2，李昕哲1,2,3，馮恒振1,2*，何博1,2，蘇文亭1，呂斯寧1，李志鵬1

（1.北京理工大學 機電學院，北京 100081；2.北京理工大學 重慶創新中心，重慶 401120； 3.西南技術工程研究所，重慶 400039）

厘清某型引信在貯存14 a后的失效模式，研究溫度周期性交變對引信及其薄弱零件的影響。利用ANSYS workbench軟件，建立基于時間硬化的蠕變仿真方法。以某型引信為研究對象，開展周期性溫度交變的蠕變仿真，根據仿真計算結果和實物的對比分析，找出薄弱零件，分析其老化失效模式。在每個周期內環境溫度循環條件下，仿真時長設定為14 a，結果顯示，引信整體蠕變應變率超過1%，平均壓緊應力下降21%，松弛穩定性變弱，密封性在一定程度上變差。其中，引信電機外殼、電機扇葉、底部線路對接板為薄弱零件，容易發生失效行為。引信貯存在典型西南濕熱環境14 a后，周期性溫度交變應力將導致引信出現缺陷，缺陷集中在電機外殼、電機扇葉、底部線路對接板處，應重點對這些部位進行防護。

引信；長期貯存；蠕變仿真；老化行為；薄弱零件；溫度交變

引信是武器系統中至關重要的組成部分，它的設計和功能決定了武器的終端效應。通過感知目標或其他信息，并適時引爆彈丸或戰斗部，引信能夠確保武器系統與目標的有效對抗[1]。為了確保引信的可靠性和作用過程中性能及其性能參數的穩定性，它們通常經過嚴格的測試和質量控制程序。對于軍事應用，引信需要具備很高的可靠性和安全性，以確保在各種環境條件下都能正常工作。作為一次性使用產品，引信的貯存可靠性受到各方關注。貯存可靠性是指引信在規定貯存條件下和規定貯存時間內保持規定功能的能力，它作為強制性指標，列入國軍標《裝備可靠性維修性參數選擇與指標確定要求——彈藥》之中[2]。我國幅員遼闊，南北溫差大，南方倉庫夏天溫度可達70 ℃以上[3]。溫度的交替循環變化，使引信材料熱脹冷縮[4]，長期貯存在這種環境下的引信，失效率高，會出現瞎火、過早炸等危害安全性的問題[5]。

目前，國內對引信長期貯存后的薄弱易失效零件的研究主要是通過自然貯存試驗和加速壽命試驗。郭華等[6]通過步進應力加速壽命試驗，開展了引信貯存壽命評估研究，評估其壽命為20.1 a。李道清等[7]通過對某型無線電引信開展了長貯步進應力加速壽命試驗，得出研究引信在30 ℃條件下貯存年限不小于15 a，其中起爆鉭電容是該引信的薄弱零件。張福興等[8]通過對彈上電子產品開展10 a的自然貯存試驗，分析了其產生故障的主要原因為長期的環境應力致使生產工藝問題擴大。以上對引信長貯失效的研究都是基于試驗完成的，而環境試驗不僅耗費人力財力，而且現代引信更新換代速度快，往往試驗還沒完成，試驗引信就已經淘汰了。因此，急需發掘模擬仿真手段對引信的長貯失效進行分析，然而目前國內還沒有通過有限元仿真模擬溫度交變環境對引信的影響研究。

針對上述現狀，本文以貯存在某西南地區邊防倉庫的某型中大口徑迫彈引信為研究對象，通過溫度交變的蠕變仿真，基于Ansys Workbench軟件，使用蠕變時間硬化數學模型，按照當地夏季倉庫內溫度為75 ℃，其他四季平均溫度為30 ℃，以年為單位，仿真時間設定為14 a。計算14 a后，引信的蠕變應變和應力情況，再結合真實觀測數據，分析引信在貯存14 a后的薄弱部件及失效模式，為預測引信長期貯存壽命和分析引信失效模式提供理論依據。

1 蠕變失效機理與蠕變仿真方法

1.1 蠕變失效機理

蠕變是指固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。在溫度周期性變化產生的應力作用下，材料容易發生蠕變疲勞導致失效[9]。

蠕變應變的發展可以劃分為3個階段，如圖1所示。在第一階段，蠕變應變大小具有時間相關性，而從曲線斜率變化可知，蠕變速率和時間具有負相關性。這是因為材料內與時間相關的應變硬化和應變恢復會相互對抗，隨著應變增加，相互對抗的力度也會增加。在第二階段，蠕變速率維持平衡狀態，這是蠕變硬化率和恢復率相互對抗平和的結果，這個階段涉及到擴散蠕變機制。第三階段，材料內的缺陷繼續擴大，蠕變恢復明顯慢于蠕變硬化，導致蠕變速率快速增加，并且失效迅速擴展[10-11]。因此，材料的蠕變形變在宏觀上表現為裂紋和裂孔等失效形式。

圖 1 蠕變過程

交變應力指隨時間周期性變化的應力。在循環的應力中，當最大應力和最小應力都處于恒定狀態，這種應力被稱為“穩定交變應力”。穩定交變應力首先引起材料原子晶格中位錯的運動，位錯運動的積累導致微小裂紋的形成，這些微小裂紋沿著結晶變化方向擴展，最終形成宏觀意義上的裂紋[12-13]。

1.2 蠕變本構模型

1）金屬蠕變模型。單軸應力狀態下各向同性材料的蠕變應變[14]表示為應力、時間和溫度的函數：

其中，Bailey-Norton模型[15]可以表征蠕變應變與時間和應力的關系：

此外，蠕變表現為一種熱激活現象，即蠕變變形受到激活能的影響[16-17]。因此，蠕變應變和溫度的計算表達式為：

綜合式（1）～（3），得到金屬材料蠕變本構模型：

2）非金屬復合材料蠕變模型。連續非金屬聚合物基復合材料各向異性，用混合率模型來表示其蠕變行為[18]。假設復合材料在單軸應力作用下具有一定的串、并聯關系[19]，則可得到其蠕變本構模型：

冪律模型用于宏觀物理現象，認為單向纖維復合材料不同纖維方向上的蠕變變形規律均可用時間指數函數的形式來表示[20]。

式中：0為初始蠕變柔量；、均為材料參數，與環境溫度和材料的特性有關。

3）復合時間硬化蠕變模型，是描述蠕變應變與溫度、應力、時間的函數關系，結合上述金屬和復合材料的蠕變模型[21]，可以得出具體表達式：

1.3 實例計算

某西南地區邊防某倉庫貯存的某型引信主要由鋁合金和工程塑料2種材料構成。貯存時，整個引信由鋁制密封袋密封保存了14 a，出倉后外觀檢查，密封袋密封性無異常，說明引信干燥性良好。開包5個后，發現其中1個引信的電機外殼有裂紋出現，實物部分如圖2所示。該西南地區為南亞熱帶季風氣候區，氣候溫暖，空氣潮濕。由于當時倉庫條件簡陋，不具備恒溫條件，夏季平均氣溫為38 ℃，倉庫屬密閉環境，室內溫度可達75 ℃左右，冬春秋倉庫氣溫回緩，平均氣溫在30 ℃左右[22]。其貯存環境條件剖面如圖3所示。

圖2 貯存在某西南地區的某引信部分實物

圖3 貯存環境剖面

1.4 仿真計算流程

建立的產品全模型如圖4所示。模型外部由0.12 mm鋁制密封袋包裹，頭部由鋼制保護罩保護風帽不受損。整個產品主要分成3個部分，上部包括風帽、電子頭、灌封電路板和一些塑料外殼；中部有4顆螺釘連接到下殼體，內部包括渦輪發動機，發動機底部固連線路對接板，板上安裝擊針；下部分包括安全與解除隔離裝置和外殼。

圖 4 某型引信模型

為了獲得高質量網格，保證結果準確性，同時確保收斂性和合理的計算時間，整體采用高平滑六面體網格，如圖5所示。全局網格最大單元邊長5 mm，最小單元邊長2 mm，單位網格平均質量為0.802 3，網格縱橫比為3.778 6。該網格質量適用于當前仿真計算。

圖5 網格劃分

某型引信上各構件的材料類型見表1，材料的熱特性[23]參數見表2，該材料參數來源為ANSYS workbench數據庫。材料蠕變特性參數[24-25]見表3。

表1 各構件的材料類型

Tab.1 Material types for each component

表2 材料的熱特性參數

Tab.2 Thermal characteristic parameters of materials

表3 材料蠕變特性參數

Tab.3 Creep characteristic parameters of materials

為了模擬倉庫環境，并簡化計算，作出如下設定，如圖6所示。初始環境溫度設為22 ℃，4 000 s后溫度到倉庫常溫30 ℃，這用于模擬引信最初被放置進入倉庫時環境的變化。30 ℃維持21 600 000 s（250 d），升為75 ℃，維持7 776 000 s（90 d），這用于模擬西南地區夏季高濕熱特性，常年夏季倉內溫度能達到70 ℃以上。總計340 d（約為1 a）為1循環，循環14個周期。螺釘在該溫度下幾乎不發生變形，設置為固定支撐面。

2 結果及分析

運用ANSYS workbench軟件模擬了上述引信貯存在某典型西南濕熱環境倉庫14 a的時間里，由于溫度交變而發生的蠕變變形。外界溫度為30、75 ℃時，引信的溫度擴散情況如圖7所示。可以看出，從外界30 ℃轉變為75 ℃和外界75 ℃轉變為30 ℃時，溫度從外界擴散至引信內部至飽和的時間為2 500 s，而每個恒溫周期為29 376 000 s。這說明在1個周期內的2個階段，溫度轉換所花時間相對恒定溫度貯存時間很短，轉換過程中的溫度變化引起的形變突變可忽略不計，引信主要產生的形變由恒定溫度下的蠕變應變導致。

圖7 溫度交變擴散圖

引信在14 a的循環中，總形變變化量大的集中在中間塑料外殼、渦輪電機上端和發動機下部固連的線路轉接板，如圖8所示。引信整體平均壓緊應力隨時間的變化情況如圖9所示。可以看出，引信整體的平均壓緊應力值隨時間的增加正逐漸變小，從開始的957.22 MPa減小為756.54 MPa，下降為原來的21%，故可知產品的松弛穩定性變弱，密封性在一定程度上可能變差。由螺釘或銷子連接的各部分的緊合程度可能會變小，若壓緊應力小于預緊壓力，各部分組件的緊合處可能會產生細縫，引信的起爆功能可能會受到影響，比如爆炸序列傳熱到下一級時，能量通過細縫溢出，導致下一級接收能量不夠等。

由圖10可以看出，引信整體的蠕變應變率隨時間增加而增加。14 a后，引信蠕變應變率增加至1.014 9%。由于蠕變變形屬于塑性變形，據此可認為材料持久強度尤其是持久塑性在14 a后下降了1.014 9%。從云圖中還可以看出，應變主要集中于引信的電機外殼，這與實物圖中電機外殼產生狹小裂紋相吻合。

圖 8 引信總形變云圖

圖9 引信平均壓緊應力

圖10 引信蠕變應變率

引信底部線路對接板（含擊針）的蠕變情況如圖11a～圖11c所示。可以看出，在14 a的時間，線路對接板發生了蠕變變形，板底有向下凹陷趨勢。由于線路對接板上固連著發火擊針，這可能導致該引信作戰時，發火擊針戳擊角度發生變化，不能正對發火雷管，導致瞎火等問題。線路對接板的平均壓緊力和蠕變應變率變化情況如圖11d、e所示，可以看出，線路對接板與發動機底座平均壓緊力由24 MPa下降至20.8 MPa，下降了約原來的13.3%，線路對接板蠕變應變率上升為0.03%，線路對接板材料強度有所降低。電機14 a的蠕變情況如圖12所示，應力主要集中在渦輪電機扇葉尖端和底座與線路對接板固連處，平均壓緊應力下降為原來的12%，蠕變應變上升0.028%。

圖11 引信電機底部線路對接板老化情況

圖12 引信電機老化情況

3 結論

1）引信在某典型西南地區貯存14 a后，隨溫度周期性交變會產生蠕變變形。整體仿真結果表明，該引信貯存14 a后容易失效的薄弱零件為電機塑料外殼、渦輪電機上端和發動機下部固連的線路轉接板。

2）在貯存期間，引信的蠕變應變率呈周期性上漲，14 a時間引信整體蠕變應變率上升1.014 9%，壓緊應力呈周期性下降，14 a下降21%。應變主要集中于電機外殼，這與實物電機外殼產生狹小裂紋的缺陷相吻合。

3）其他薄弱零件的仿真結果顯示，線路對接板與發動機底座的平均壓緊力由24 MPa下降至20.8 MPa，下降了約原來的13.3%，線路對接板蠕變應變率上升為0.03%。電機的應力主要集中在渦輪電機扇葉尖端和底座與線路對接板固連處，平均壓緊應力下降為原來的12%，蠕變應變上升0.028%。

4）薄弱零件的材質為工程塑料和環氧樹脂，建議防護方法：嚴格控制溫濕度保存條件；對老化部位在達到規定材料年限時，及時更換。

[1] 馬寶華. 現代引信的控制功能及特征[J]. 探測與控制學報, 2008, 30(1): 1-5. MA Bao-hua. Control Function and Characteristics of Mordern Fuzes[J]. Journal of Detection & Control, 2008, 30(1): 1-5.

[2] 王軍波, 施聚生. 關于開展引信長期貯存試驗的探討[J]. 制導與引信, 1995, 16(4): 27-29. WANG Jun-bo, SHI Ju-sheng. Discussion on Long-Term Storage Test of Fuze[J]. Guidance and Fuze, 1995, 16(4): 27-29.

[3] 李維京, 劉景鵬, 任宏利, 等. 中國南方夏季降水的年代際變率主模態特征及機理研究[J]. 大氣科學, 2018, 42(4): 859-876. LI Wei-jing, LIU Jing-peng, REN Hong-li, et al. Characteristics and Corresponding Mechanisms of the Leading Modes of Interdecadal Variability of Summer Rainfall in Southern China[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2018, 42(4): 859-876.

[4] 王樂, 丁晨, 房桂祥. 海洋自然環境下艦載武器失效模式分析[J]. 裝備環境工程, 2019, 16(4): 98-102. WANG Le, DING Chen, FANG Gui-xiang. Failure Mode of Shipborne Weapons in Marine Natural Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2019, 16(4): 98-102.

[5] 劉偉釗, 李蓉. 基于性能退化的機電引信部件貯存壽命評估方法[J]. 探測與控制學報, 2022, 44(3): 17-21. LIU Wei-zhao, LI Rong. Storage Life Evaluation of Electromechanical Fuze Components Based on Performance Degradation[J]. Journal of Detection & Control, 2022, 44(3): 17-21.

[6] 郭華, 祝逢春, 豆仁福, 等. 引信步進應力加速壽命試驗無失效數據情況貯存壽命評估[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(2): 26-31. GUO Hua, ZHU Feng-chun, DOU Ren-fu, et al. Evaluation of Storage Life of Fuze via Step-Stress Accelerated Life Test with Zero-Failure Data[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 26-31.

[7] 李道清, 王德元. 某無線電引信加速壽命試驗研究[J]. 探測與控制學報, 2000, 22(4): 57-61. LI Dao-qing, WANG De-yuan. Study on the Long Term Storage Stepping Steress Accelerated Life Test of a Radio Fuze[J]. Journal of Detection & Control, 2000, 22(4): 57-61.

[8] 張福興, 童雨. 彈上產品自然貯存試驗現狀研究[J]. 質量與可靠性, 2015(6): 12-14. ZHANG Fu-xing, TONG Yu. Research on the Present Situation of Natural Storage Test of Missile Products[J]. Quality and Reliability, 2015(6): 12-14.

[9] 劉鴻文, 呂榮坤. 材料力學實驗[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2017. LIU Hong-wen, (Lü/LV/LU/LYU) R K. Material Mechanics Experiment[M]. 4th ed. Beijing: Higher Education Press, 2017.

[10] ANDRADE E N D C. On the Viscous Flow in Metals, and Allied Phenomena[J]. Proceedings of the Royal Society of London Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 1910, 84(5/6/7): 1-12.

[11] MCLEAN M, DYSON B F. Modeling the Effects of Damage and Microstructural Evolution on the Creep Behavior of Engineering Alloys[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 2000, 122(3): 273-278.

[12] 安峰辰, 張飛揚, 易浩, 等. 交變應力對套管損傷機理的影響[J]. 煤田地質與勘探, 2021, 49(1): 143-150. AN Feng-chen, ZHANG Fei-yang, YI Hao, et al. Effects of Alternating Stress on Casing Damage Mechanism[J]. Coal Geology & Exploration, 2021, 49(1): 143-150.

[13] LIU Rong, YE Heng-da, LIU Yu-qing, et al. Numerical Simulation of Concrete Creep Behaviour Using Integral Creep Algorithm with Alternating Stresses[J]. Structures, 2021, 29: 1979-1987.

[14] 孫同生, 于存貴, 秦予錚, 等. 多管火箭武器儲運發射箱長期儲存蠕變性能預測[J]. 國防科技大學學報, 2020, 42(5): 60-67. SUN Tong-sheng, YU Cun-gui, QIN Yu-zheng, et al. Prediction of Creep Performance for Multiple Launch Rocket Canister under Long-Term Storage[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2020, 42(5): 60-67.

[15] DAI Qing-li, YOU Zhan-ping. Prediction of Creep Stiffness of Asphalt Mixture with Micromechanical Finite-Element and Discrete-Element Models[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2007, 133(2): 163-173.

[16] YU H Y, LI J C M. Computer Simulation of Impression Creep by the Finite Element Method[J]. Journal of Materials Science, 1977, 12(11): 2214-2222.

[17] 徐浩, 王崴, 馬躍, 等. 高溫螺栓蠕變松弛的理論分析[J]. 潤滑與密封, 2013, 38(7): 57-60. XU Hao, WANG Wei, MA Yue, et al. Analysis of High Temperature Creep Relaxation of Bolted Joint[J]. Lubrication Engineering, 2013, 38(7): 57-60.

[18] LANGDON T G. On the Possibility of Harper-Dorn Creep in Non-Metallic Crystals[J]. Philosophical Magazine A, 1983, 47(6): L29-L33.

[19] BERBON M Z, LANGDON T G. An Examination of Creep Behaviour at Low Stresses in Non-Metallic Materials[J]. Journal of Materials Science Letters, 1996, 15(19): 1664-1666.

[20] 李昂, 張毅, 高蔚, 等. 基于可靠度的Incoloy800H管材蠕變性能分析[J]. 稀有金屬材料與工程, 2022, 51(2): 675-681. LI Ang, ZHANG Yi, GAO Wei, et al. Analysis on Creep Property of Incoloy800H Tube by Reliability Concept[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2022, 51(2): 675-681.

[21] 梅志恒. 渦輪葉片低周疲勞及蠕變壽命預測[D]. 大連: 大連理工大學, 2021. MEI Zhi-heng. Prediction of Low Cycle Fatigue and Creep Life of Turbine Blades[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2021.

[22] 麻新純. 廣西氣候特點與檔案環境保護技術[J]. 廣西民族學院學報(自然科學版), 1997, 3(1): 75-77. MA Xin-chun. The Relationship between the Climatic Characteristics in Guangxi and the Archives Preserving[J]. Journal of Guangxi University for Nationalities (Natural Science Edition), 1997, 3(1): 75-77.

[23] HYDE T H, BECKER A A, SUN W, et al. Finite-Element Creep Damage Analyses of P91 Pipes[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2006, 83(11-12): 853-863.

[24] 孫燕平, 龐春鳳. 彎曲殘余應力對轉子蠕變性能的影響研究[J]. 機械工程學報, 2014, 50(18): 162-166. SUN Yan-ping, PANG Chun-feng. Research on Rotor Creep Properties under Bending Residual Stress[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(18): 162-166.

[25] EVANS H E, KNOWLES G. Dislocation Creep in Non-Metallic Materials[J]. Acta Metallurgica, 1978, 26(1): 141-145.

Simulation and Analysis of Aging Behavior of Fuzes under Long-term Storage

LOU Wen-zhong1,2, LI Xin-zhe1,2,3, FENG Heng-zhen1,2*, HE Bo1,2, SU Wen-ting1, LYU Si-ning1, LI Zhi-peng1

(1. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Chongqing Innovation Center, Beijing Institute of Technology, Chongqing 401120, China; 3. Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to clarify the failure mode of a certain type of fuze after 14 years of storage, and to study the effect of periodic temperature alternation on the fuze and its weak parts. A creep simulation method based on time hardening was established with ANSYS workbench. With a certain type of fuze as the research object, the creep simulation of periodic temperature alternation was carried out. According to the simulation calculation results, the weak parts were found and the aging failure mode was analyzed. Under the cyclic condition of ambient temperature in each cycle, the simulation time was set to 14 year. The results showed that the overall creep strain rate of the fuze exceeded 1%, the average compressive stress decreased by 21%, the relaxation stability became weaker, and the sealing became poor, among which the fuze motor housing, motor fan blade and bottom line docking plate were weak parts and were prone to failure behavior. After the fuze is stored in a southwestern hygrothermal environment for 14 years, the periodic temperature alternating stress will lead to defects in the fuze, and the defects are concentrated in the motor shell, motor fan blade and bottom line docking plate. Therefore, these parts should be protected.

fuze; long-term storage; creep simulation; aging behavior; weak parts; temperature alternation

2023-06-27；

2023-08-09

National Natural Science Foundation of China Youth Fund (62304022); 2022-2024 China Association for Science and Technology Innovation Integration Society Consortium Young Talent Sponsorship Project (2022QNRC001)

TJ430.89

A

1672-9242(2023)10-0056-08

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.007

2023-06-27；

2023-08-09

國家自然科學基金青年基金（62304022 ）； 2022-2024年度中國科協創新融合學會聯合體青年人才托舉工程（2022QNRC001）

婁文忠, 李昕哲, 馮恒振, 等. 引信在長期貯存下老化行為的仿真模擬與分析[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(10): 56-63.

LOU Wen-zhong, LI Xin-zhe, FENG Heng-zhen, et al. Simulation and Analysis of Aging Behavior of Fuzes under Long-term Storag[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 56-63.

責任編輯：劉世忠