撞击减速法模拟引信后坐加速度的影响因素*

杨清熙，齐杏林，赵志宁，李永铎，韩苗青

(1解放军军械工程学院，石家庄 050003;2总参炮兵训练基地，河北宣化 075100;3 71496部队，山东烟台 265800)

0 引言

撞击旋转法是一种模拟引信发射中后坐和离心环境的方法。撞击旋转法是利用气体炮发射装有倒置引信(或引信零部件)的试验弹，试验弹飞出炮口后进入由电机驱动的旋转管，撞击旋转管中的缓冲器和动量转换块，利用撞击过程的突然受阻减速模拟后坐加速度，利用缓冲器和旋转管的带动旋转模拟离心环境[1]。撞击旋转法的关键技术是利用了撞击减速法模拟后坐加速度，撞击旋转法已成功应用于引信电源激活性能的检测，但利用这种方法对引信解除保险性能检测所面临的主要问题是所模拟的后坐加速度持续时间不足、后坐加速度曲线的调节困难[2－3]。

缓冲器是影响加速度持续时间的主要因素，可通过选用不同材料、形状、尺寸的缓冲器来控制后坐加速度曲线[4]。泡沫铝材料是一种很好的缓冲材料，文中以泡沫铝块为缓冲器考虑撞击减速法所模拟的后坐加速度曲线[5]。

1 撞击减速模型的建立

引信利用弹口螺纹旋在一带螺纹的特制圆柱筒上，二者连在一体形成试验弹。动量转换块采用黄铜块，缓冲器是具有一定形状的泡沫铝块，旋转管是合金钢管。

利用ANSYS/LS-DYNA软件对碰撞减速过程进行仿真。试验弹、旋转管、动量转换块选用刚体模型，其部分参数如表1所示。

表1 碰撞模型材料的部分参数

对于泡沫铝材料，选用两种密度分别为1800 kg/m3、370kg/m3的泡沫铝材料进行对比研究，泡沫铝选用可压扁泡沫材料模型(Crushable-Foam模型)，其应力－应变曲线如图1所示[6]。

图1 泡沫铝材料的应力－应变曲线

由于模型结构形状、冲击载荷具有对称性，为节减计算时间，提高计算精度，试验弹、缓冲器、动量转换块、旋转管均采取1/2模型建模，整个模型如图2所示。

图2 撞击减速模型

2 撞击减速过程分析

当试验弹以40m/s的速度碰撞1800 kg/m3的泡沫铝块时，试验弹先压缩泡沫铝块变形，泡沫铝块在压扁的过程中推动动量转换块向前移动。其过程可由图3直观看出。

由图3知，碰撞过程中，试验弹上节点8975、泡沫铝块上节点7970、动量转换块上节点5369的速度－时间曲线如图4所示。由图可见试验弹速度由40m/s逐渐下降，最后与泡沫铝块一起静止，而动量转换块吸收碰撞的能量后以7m/s的速度飞出。

3 撞击减速所得加速度－时间曲线分析

引信解除后坐保险不仅与其受到的后坐加速度有关而且与后坐加速度持续时间有关。例如某种触发引信解除后坐保险所需的后坐加速度要求在20000m/s2、持续时间0.001s以上。这就要求当对引信后坐保险解除保险性能进行检测时需要模拟的加速度参数能满足要求。而模拟所得的加速度与试验弹碰撞初速、缓冲器材料及尺寸、动量转换块重量等都有关系。

图3 不同时刻模型状态图

图4 模型上典型节点速度－时间曲线

3.1 初速对加速度－时间曲线的影响

试验弹以不同速度碰撞密度为1800 kg/m3，厚度为0.1m的泡沫铝块，质量为3.15kg的黄铜块，其加速度－时间曲线如图5所示。

根据图5不同碰撞初速下的加速度－时间曲线可以得到表2中加速度参数，由表2知碰撞初速直接影响加速度峰值和加速度持续时间，在其他条件不变的情况下，初速越大，加速度峰值越高，加速度持续时间越长。但当初速增加到一定值时，泡沫铝块会被压扁，失去缓冲效果，得到的加速度－时间曲线不稳定。

3.2 泡沫铝块厚度对加速度－时间曲线的影响

试验弹初速30m/s，碰撞密度为1800 kg/m3，厚度分别为0.08m、0.05m的泡沫铝块，质量为3.15kg的黄铜块，其加速度－时间曲线如图6所示。

由图6知，当泡沫铝块厚度为0.08m时，加速度峰值32000m/s2，加速度 ＞0m/s2持续时间约为0.0012s。当泡沫铝块厚度为0.005m时，加速度峰值28000m/s2，加速度＞0m/s2持续时间约为0.001s。由此可知泡沫铝块厚度越小加速度峰值越小，加速度持续时间越短。同时泡沫铝块厚度越小，缓冲效果越差，在较低碰撞初速下就会压扁，失去缓冲效果。

图5 不同碰撞初速下的加速度－时间曲线

表2 不同碰撞初速下的加速度参数

图6 不同厚度泡沫铝块下的加速度－时间曲线

3.3 缓冲器材料对加速度－时间曲线的影响

试验弹初速10m/s，碰撞密度为370kg/m3，厚度为0.1m的泡沫铝块，质量为3.15kg的黄铜块，其加速度－时间曲线如图7所示。

图7 370kg/m3泡沫铝块下的加速度－时间曲线

由图7知，当泡沫铝块密度为370kg/m3时，加速度峰值为5700m/s2，加速度 ＞0m/s2持续时间约为0.0027s。对比图5中(d)图知泡沫铝块密度越小加速度峰值越小，加速度持续时间越长。但是泡沫铝块密度越小，在较低的碰撞初速下就会压扁，失去缓冲效果。

3.4 动量转换块质量对加速度－时间曲线的影响

试验弹初速20m/s，碰撞密度为1800kg/m3，厚度为0.1m的泡沫铝块，质量分别为2.52kg、2.10kg的黄铜块，其加速度－时间曲线如图8所示。

由图5(c)知，当动量转换块质量为3.15kg时，加速度峰值约为26000 m/s2。由图8知，当动量转换块质量为2.52kg时，加速度峰值约为20000 m/s2。当动量转换块质量为2.10kg时，加速度峰值约为18000 m/s2。三种长度动量转换块下的加速度大于0 m/s2持续时间均约为0.0011s。所以可知动量转换块的质量主要影响加速度峰值，动量转换块质量越小，加速度峰值越小。

图8 不同质量动量转换块下的加速度－时间曲线

4 结论

文中对撞击减速法模拟引信后坐环境进行了建模仿真，重点分析了影响后坐加速度－时间曲线的因素。根据分析结果知泡沫铝材料作为缓冲器能起到很好的缓冲效果。泡沫铝材料密度越小得到的加速度持续时间越长，可通过调节碰撞初速、泡沫铝块厚度、动量转换块质量等措施调节加速度－时间曲线。

[1]Harold R Martin.Construction details of HDL artillery simulator(prototype)，AD660334[R].1967.

[2]Herbert D Curchack.Artillery simulator，US，3444733[P].1969－5－20.

[3]Donald J Mary.The high-spin tabletop artillery simulator(2in.)，ADA075238[R].1979.

[4]Michael G Otten.Development of a 7-inch air gun for use in interior ballistics simulation，ADA020866[R].1975.

[5]徐蓬朝，黄惠东，揭涛，等.高超音速侵彻引信中的泡沫铝垫片[J].探测与控制学报，2010，32(6)：63－67.

[6]闻利群，鲁建霞，张同来.泡沫铝和橡胶对测试仪器抗冲击波缓冲能力的仿真研究[J].弹箭与制导学报，2010，30(3)：223－225.