引信安全性试验的数值仿真

吴晓颖, 张万君, 戴国云

(1.装甲兵工程学院兵器系,北京100072;2.蚌埠坦克学院,安徽蚌埠233000)

0 引言

在引信定型试验中,引信安全性失效起着一票否决的关键作用。引信安全性失效属小概率事件,随着对安全性能要求的提高和新型弹药成本的增加,仅通过定型试验中实弹射击方法考核引信安全性指标的难度越来越大。如引信安全性准则GJB 373-97中规定:引信在保险距离上解除保险的概率应小于1‰[1]。考核引信设计生产是否满足安全性要求的可靠办法:射击1 000发,出现1发以下的失效为满足,否则为不满足。但为完成一项引信安全性试验射击1 000发弹药是不可能的,因此通常采用小样本抽样试验,多数弹药引信的试验规范中规定安全性(保险距离)试验样本量取(20～40)发[2],根据二项式分布公式计算该试验样本下引信安全性失效出现的概率仅为0.01～0.0 392,均为小概率事件,因此很难通过安全性试验达到考核效果,给研制和使用方带来风险。

但通过莫非定律知道,不论事件发生的概率如何小,只要当样本量增加到一定程度时,该事件就一定会出现。由此当样本量增加到110～140时,计算引信安全性失效出现概率可达到0.1以上,可以满足对引信安全性考核的要求。

为此,本文将探讨利用数值仿真试验方法增大试验样本的可行性和途径,达到提高考核可靠性或降低试验成本的目的。

1 引信安全性及其试验方法

引信安全性通常包括勤务处理安全性、发射安全性、炮口安全性,工作示意图如图1所示[3]。

图1 引信安全性工作示意图

引信安全性能的好坏,主要取决于引信设计环节的安全保险机构,如图2所示。

图2 引信安全保险机构

因此,对引信安全性能的考核,本质上就是对引信保险机构在不同工作状态下是否处于安全位置的考核。由于勤务处理和装弹过程中,引信只受到一个环境力的作用,对于双环境力引信而言,解除保险的概率几乎为零,在此不予讨论。只有炮口安全失效可能性较大,危害也大,考核困难,而在引信设计定型试验时,对炮口安全性(保险距离)考核,通常采用少量样本实弹射击,根据引信是否发火考核保险机构是否处于保险状态。但该方法试验周期长,成本高,结论可靠性与试验样本量息息相关,并且在一定程度上受到外界激励的影响,为此各试验和研制单位都在不断探索引信安全性试验的新方法。

2 引信安全性试验的数值仿真

近几年在引信研制过程中,常采用模拟或数值仿真方法,为调整引信相关性能参数,提高引信整体性能,缩短研制周期做出有益的尝试。如今仿真技术已经拓展到对引信安全性试验研究上。因此,研究利用数值仿真方法增大考核试验样本量,提高考核引信安全性试验水平。

2.1 数值仿真模型及原理

数值仿真,就是将引信及其受力情况都转化成数值模型,通过计算机仿真得到相应的结论。

利用数值仿真方法考核引信安全性能的基本途径,如图3所示。

图3 仿真试验工作原理与过程

首先利用Solidworks软件建立保险机构三维数值模型[4],并利用软件将零部件偏差生成系统加载到数值模型上,随机生成具有误差的不同保险结构数值模型;其次,根据对火炮发射环境分析,利用相关公式计算零部件受力,包括直线惯性力、离心力等:

式中:F s为直线惯性力;F c为离心力;m为相关零件质量;a为直线加速度;ω为旋转角速度;r为零件质心到弹轴距离。根据计算和分析结果建立引信虚拟工作环境,最后将引信数值模型导入引信发射和飞行的动力学和运动学虚拟环境中,进行仿真试验,得到相应数据或结论。

2.2 引信安全性试验数值仿真的作用

通过仿真实验,可增加实验样本,提高试验置信水平。例如:在引信安全性试验中,当选取引信的试验样本量为20,若置信水平为0.9,在保险距离上引信皆不作用,在解除保险距离上引信全部发火,根据二项式分布规律,计算出引信的保险和解除保险试验结果的置信度为

式中:F为引信解除保险或保险试验失效数;RL为引信可靠度单侧置信下限;r为置信水平,这里设为0.9;n为引信试验样本量,这里取20。

如果利用仿真方法另外获得有效数据100个,按同样方法,在相同置信水平下,计算出引信的保险和解除保险试验结果的置信度为

引信安全性考核结论的置信水平由0.89提高至0.98,考核水平明显提高。

3 应用举例

某引信安全保险机构由垂直回转圆盘转子隔爆机构、离心保险机构、离心自毁机构等组成。利用Solidworks软件建立保险机构部件三维数值模型,如图 4、5 、6 所示 。

图4 垂直回转圆盘转子隔爆机构

图5 离心保险机构

图6 侧发火机构

将发射过程中各部件的受力情况利用软件加载到部件上,得到引信膛内安全保险机构运动曲线,如图7所示。与实弹射击数据基本吻合,能够为保险机构性能试验提供有效支持。

图7 离心销的位移量变化曲线

当然该方法只是一种理论上的研究和探索,具体实施还需要做许多大量复杂的前期工作,包括各种目标特性、环境数据库及可靠性评价标准的建立,都需要专门的人员去研究、积累整理,需要引信设计单位和实验部门的共同努力。

4 结论

由上述分析可知,实弹射击数据结合数值仿真方法可以使引信安全性能(炮口安全性)的考核变得更加可信,试验周期和成本得到进一步降低,是引信定型试验的有力补充,为引信的设计定型试验方法的改进奠定了基础。同时,由于模型数值仿真试验结论精确性,受模型准确度和动力学环境、目标特性的制约。因此,在实际应用中需要对建立的数值模型进行校核,对目标和环境数据库要根据实际条件进行补充和完善。

[1] GJB 150-86.军用设备环境试验方法[S].国防科学技术工业委员会,1990.

[2] GJB 349.35-41-90.常规兵器定型试验方法:航空炮弹引信[S].国防科学技术工业委员会,1990.

[3] 马宝华.引信构造与作用[M].北京:国防工业出版社,1984.

[4] 曹岩,赵汝嘉.Solidw orks精通篇[M].北京:机械工业出版社,2005.