某型导弹振动中触发引信误动作故障

2013-07-09唐尚华刘勇涛朱素英

兵器装备工程学报 2013年3期

关键词：基板固有频率共振

唐尚华，刘勇涛，朱素英，吴炜

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

某引信系统配用于某红外型空空导弹，该型导弹交付过程中需要进行多项振动试验。其中环境应力筛选的目的是通过向产品施加合理的环境应力，激发并剔除由于产品工艺缺陷和元器件缺陷引起的早期故障，以暴露产品的薄弱环节。

引信系统在进行环境应力筛选试验Y、Z 向缺陷剔除阶段随机振动试验中均正常，而X 向在规定的振动量级随机振动过程中，出现引信执行级误动作情况。

1 某导弹触发引信工作环境

1.1 引信筛选试验系统的组成

引信筛选试验系统包括被测引信系统、振动台、振动夹具、测试设备，被测引信系统由近炸引信、触发引信和自炸引信组成。

1.1.1 振动台及测试设备

振动台、测试设备均标定合格，在使用期限内，在对其它产品进行试验时未出现过故障。

1.1.2 振动夹具

振动夹具包括立式和卧式夹具2 种。立式夹具是适应垂直台加工的X 向振动夹具，通过引信后端部的卡环与引信联接，引信上部没有与夹具固定，装配固定后重心较高，该夹具未经过夹具检测试验。卧式夹具是通过引信前、后端部卡环联接，引信水平放置，若用其对引信进行X 向振动必须在水平滑台上进行。2 种夹具见图1、图2。

图1 立式夹具

图2 卧式夹具

1.1.3 被测引信

被测引信系统的3 种引信并联共用一个执行级电路。近炸、自炸信号均正常，根据引炸信号无输出而执行级动作的现象，初步排除近炸、自炸通路故障可能性，确定为触发引信通路故障。

1.2 故障定位

1.2.1 触发引信组成及故障定位

触发引信由触发开关、外围电路和执行级模块组成。其中触发开关由片簧、触头、夹板及印制板组成［1］。片簧一端铆接触头及夹板，另一端通过压板固定在印制板上，装调时使触头可靠接触开关印制板，结构如图3 所示。

图3 触发开关结构

触发开关安装在引信芯体前端激光发射固定基板上，触发开关用固定夹固定。

经过检查，排除外围电路和执行级模块、触发开关固定螺钉松动、触发开关引出线不可靠等引起故障可能。

为确认故障将触发开关的接线柱用导线短接，对该引信进行X 向振动试验，振动中引信执行级无误动作，将触发开关接线柱短接线去掉，振动中引信故障现象复现，引信执行级误动作。

因此故障定位为振动过程中触发开关误动作引起引信执行级误动作。

1.2.2 故障原因初步分析

该批触发开关已通过规定量级Y 向加强自主飞振动例行试验，且该触发开关单独进行规定量级X 向筛选振动试验也正常。

用卧式振动夹具进行试验时，触发引信状态与真实情况比较接近。而立式振动夹具由于触发开关安装位置重心较高，同时引信X 向振动时Y、Z 向也会有一些附加振动，可能造成触发开关安装位置的振动载荷与真实导弹状态有出入。因此也不排除振动夹具设计不合理的因素。

触发开关敏感弹目碰撞而动作的功能特性决定了其对振动环境放大情况超出一定范围后会比较敏感，可能在振动中出现了共振现象。因此有必要运用振动理论来讨论该结构系统的共振问题。

2 数值计算模型的建立

2.1 共振分析

振动一般分为两类:自由振动和强迫振动。自由振动是当没有外力作用时由系统固有力作用下产生的。系统在自由振动下具有一个或多个固有频率。固有频率是动力系统的一个特性［2］。

当结构系统受到随时间变化的力干扰时，系统将产生强迫振动。如果外界干扰力的频率与系统的某一阶固有频率相等或相近时，系统将产生共振。共振往往诱导出过大的动态应力，动应力导致结构的严重损伤，甚至破坏［3］。

结构共振分析就是防止发生共振的重要措施。结构共振分析包含:①结构系统的固有频率分析;②干扰源的扰动频率分析;③检验结构固有频率与干扰频率间是否有足够的偏离［3］。

触发引信中的触发开关是利用载体碰击目标时的反作用力或前冲力而闭合，以接通引信电路，使起爆元件发火的装置。由于触发引信主要运动件和决定产品性能的零件为触发开关中的片簧，对片簧进行模态仿真计算，获得片簧的固有频率，以分析其动态特性。

2.2 模态分析的基本理论

模态分析是确定结构振动特性的一种近代方法，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率和模态振型。对于一个具有N 个自由度的线性定常系统，由弹性力学有限元法，可得其运动微分方程［4］

式中:M、C、K 分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵分别为结构的加速度向量、速度向量和位移向量;f(t)为激振力向量。

由于模态是机械结构的固有特性，与外部的载荷条件无关，即f(t)=0。因结构阻尼较小，对结构的固有频率和振型影响甚微，可忽略不计，由此可得到结构的无阻尼自由振动的运动方程

由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列的简谐振动的叠加，为了决定弹性体自由振动的固有频率及相应的振型，假设简谐振动的方程为

其中:Φ 是n 阶特征向量;ω 是结构振动的固有频率;t 是时间变量。

将式(3)代入式(2)中，得无阻尼模态分析的运动方程为

式(4)有非零解的条件是其系数行列式等于零，即

式(5)是关于ω 的n 次方程，解此方程可得结构的n 个固有频率和振型。

2.3 动力学模型的建立

在此，运用有限元分析软件MSC.Nastran 对触发引信进行有限元仿真计算。仿真步骤为实体建模、网格划分、边界条件设定、材料参数输入、仿真计算［5-6］。

2.3.1 模型建立

数值模拟仿真首先要建立有限元模型，从而确保在计算过程中反复调整和调用。仿真研究使用MSC.Patran 软件进行三维零件的辅助建模设计。首先对触发开关进行一些简化，只考虑片簧和与之相连的质量块和质量块夹，忽略其它零部件的影响。由于片簧与夹板接触部分近似固定，建模时忽略这一部分。考虑到质量块和质量块夹是同种材料，且相互间变形可以忽略，在进行建模时合并为一体。

2.3.2 网格划分

计算网格划分的好坏直接关系到数值计算的顺利程度，以及反映所关心物理量的基本变化规律。

根据所研究的问题，在计算时运用精度较高的六面体单元对片簧合件进行了网格划分，计算模型总共划分体单元5 890 个。网格划分结果如图4 所示。

图4 片簧网格模型

2.3.3 边界条件

片簧与质量块和质量块夹合件之间变形很小，可以忽略，将质量块合件与片簧固接。

片簧与电路板通过螺钉相连，因此认为其接触部分是固定的，即约束片簧边界所有的自由度。

计算时假定触头自由，触头和电路板之间加一滑动摩擦系数来模拟它们之间的接触。

2.3.4 材料模型

片簧采用的是QBe2，轻块和块夹的材料均为HPb59 -1，材料参数如表1 所示。

表1 材料参数

2.4 计算结果

计算采用的基本单位是mm、g、s，其他单位由该基本单位导出。

对片簧在自由模态下的固有模态和振型进行了仿真，其前3 阶频率见表2 和图5、6、7。

表2 触发开关簧片前三阶频率

图5 一弯振型示意图

图6 一扭振型示意图

图7 二弯振型示意图

根据前面的有限元分析计算，可得片簧的前3 阶固有频率为:224 Hz、434 Hz、1 306 Hz。若振动夹具产生的干扰频率与片簧的固有频率接近，就有可能发生共振现象。必须采取适当的措施，使振动夹具产生的干扰频率与片簧合件的固有频率有一定的差值来防止发生共振。

3 试验验证及更改措施

3.1 试验验证

为得到触发开关处的振动输入情况，验证是否触发开关在立式夹具中感受超常振动，采取引信前盖钻孔，触发开关固定基板处粘监测传感器进行基板振动情况监测，同时对触发开关触发输出信号也引线实时监测。抽取三发触发开关先进行窄带随机振动试验寻找敏感频率范围，再运用正弦定频振动试验寻找敏感频率点，确认触发开关是否发生共振现象。

3.1.1 触发开关窄带随机振动试验

分别在垂直台立式夹具和水平滑台卧式夹具对三发触发开关装成引信系统，夹具上单点或两点控制进行振动试验，通过压缩窄带随机振动的方法对各触发开关进行敏感频率范围筛选，监测触发开关固定处基板上振动情况，用示波器监测触发开关输出和执行级情况，控制波形曲线见图8、9。

图8 单点控制波形曲线

图9 两点控制波形曲线

试验表明触发开关固定处存在一定超常振动放大现象，超出规定的试验条件。在垂直台立式夹具窄带(1 000 ～1 500 Hz)随机振动试验中三发触发开关都会出现误动作，只是振动量级的大小的区别，且引信基板处的振动峰值频率都在1 150 Hz 和1 300 Hz 频率附近，而用水平台卧式夹具试验时引信基板处的峰值频率为360 ～620 Hz。

3.1.2 触发开关敏感频率验证试验

在垂直台立式夹具对触发开关装成引信系统，夹具上2点控制振动，监测触发开关固定处基板上振动情况，用示波器监测触发开关输出和执行级情况。先寻找该触发开关敏感频率点，再对其敏感频率点进行正弦定频振动，以验证触发开关共振及输出周期性，监测波形曲线如图10 所示。试验表明触发开关在正弦1 150 Hz 定频振动时输出有一定的周期性。

由上述试验可知，触发开关振动性能在满足筛选振动条件下存在一定的差异。卧式夹具水平滑台振动系统对引信结构基板处造成的峰值频率较低，而立式夹具垂直台振动系统对引信基板造成的峰值频率较高，且与触发开关振动敏感频率区域接近(理论计算触发开关的簧片二弯共振频率约为1 300 Hz)，即发生了共振现象。