引信经典后坐保险机构对过载时间的响应特性

李来福，王雨时，闻泉

(南京理工大学机械工程学院，南京210094)

引信经典后坐保险机构对过载时间的响应特性

李来福，王雨时，闻泉

(南京理工大学机械工程学院，南京210094)

为了优化设计引信后坐保险机构的保险和解除保险性能，应用刚体动力学理论和仿真软件ADAMS、LS－DYNA分析了引信经典弹性后坐保险机构和刚性后坐保险机构对不同后坐过载作用时间的响应特性，得到了不同后坐过载时间下两类后坐保险机构解除保险时间响应;两类后坐保险机构不同的解除保险时间表明两类保险机构对相同后坐环境响应特性不同;过载作用时间影响保险机构解除保险正确性;在后坐过载系数较大时，弹性保险机构和刚性保险机构均可能解除保险;在后坐过载系数较小时，无论过载作用时间如何变化，刚性保险机构均不能解除保险，而在过载作用时间较长时弹性保险机构会出现解除保险情况;因此，针对不同后坐过载作用时间应注意正确选择引信保险机构的类型。

引信;系统设计;仿真;后坐保险;过载时间;弹性保险;刚性保险

引信后坐保险机构主要分为弹性后坐保险机构和刚性后坐保险机构。引信经典单自由度弹性后坐保险机构和刚性剪切后坐保险机构结构简单、性能可靠，广泛地用于引信保险机构。

虽然引信单自由度弹性保险机构和刚性剪切保险机构结构简单，但是目前未见有关于引信单自由度弹性后坐保险机构和刚性剪切保险机构对后坐过载作用时间响应特性的研究文献，也未见有对比分析引信弹性后坐保险机构和刚性剪切后坐保险机构对后坐过载响应特性的文献。文献［1－2］只介绍了引信单行程保险机构运动特性及保险机构惯性件速度响应计算方法，并指出剪切销保险机构的优缺点及剪切销常用材料。文献［3］将引信双自由度后坐保险机构等效为单自由度后坐保险机构，通过动态仿真研究了等效单自由度保险机构和双自由度后坐保险机构的安全性和可靠性。文献［4］通过试验的方法研究了剪切销动态抗剪强度在不同过载加载速率下的变化情况。文献［5］设计了引信横向不等径、弹簧式和剪切销式剪切装置，并通过试验对比其性能优缺点。

以枪榴弹发射过载环境为背景，运用刚体动力学理论分析引信单自由度后坐保险机构对后坐过载的响应特性，并运用ADAMS和LS－DYNA分别仿真引信单自由度弹性后坐保险机构和刚性剪切后坐保险机构对不同后坐过载的响应过程，分析两类引信保险机构对不同过载作用时间响应的差异，为正确选用引信后坐保险机构提供参考。

1 引信两类后坐保险机构

1.1 单自由度弹性后坐保险机构

某枪榴弹引信单自由度后坐保险机构如图1所示。该单自由度弹性后坐保险机构主要由惯性筒1、保险球2、引信体3、惯性簧4等组成。其中惯性筒1是保险件，保险球2是被保险件，引信体3是结构件，惯性簧4是抗力件。其作用原理如下:

图1 单自由度弹性后坐保险机构

引信勤务处理阶段意外跌落时，惯性筒受到跌落冲击力的作用。跌落初始时刻，较小的冲击力不足以使惯性筒运动，惯性筒在弹簧抗力和引信体对惯性筒的反作用力作用下保持平衡。当冲击力增大到一定程度超过弹簧抗力时，惯性筒相对于引信体开始向下运动。随着惯性筒进一步压缩弹簧，弹簧抗力逐渐增大。由于跌落作用时间较短，故惯性筒在释放保险球前就开始回弹，从而保证勤务处理安全。

引信发射时惯性筒受后坐力作用。开始时刻，较小的后坐力不足以使惯性筒运动。随着后坐力增大到一定数值后，惯性筒开始运动。惯性筒向下运动到某个位置时，释放作为被保险件的保险球，此时后坐保险机构解除保险。

对图1单自由度弹性后坐保险机构进行物理模型简化，假设:把弹性后坐保险机构看作一个理想无阻尼振动系统;认为机构运动过程中弹簧刚度系数保持不变;只考虑保险机构的垂直运动，忽略其摆动的影响。

上述保险机构力学简化模型如图2所示，图2中m为惯性筒等效质量;k为弹簧刚度系数。

图2 弹性后坐保险机构惯性筒运动前的力学简化模型

弹性后坐保险机构受到冲击激励后，逐渐打破机构受力平衡。惯性筒受力状态如图3所示。

图3 弹性后坐保险机构惯性筒受力

在后坐过载开始作用阶段，惯性筒受弹簧反作用力N、引信体对惯性筒的反作用力F1和后坐过载作用力F的共同作用而保持静止，因其受力平衡得:

式(2)中:x为惯性筒响应位移;t为后坐过载作用时间;a(t)为后坐过载加速度;F为惯性筒所受后坐力;k1为弹簧的刚度系数;λ为弹簧装配时的预压量;N为弹簧抗力;m为等效质量:惯性筒质量m1与三分之一弹簧质量m2的质量和，即

一般弹丸跌落和发射时后坐加速度曲线为单波峰曲线。为简化分析，以半周期正弦后坐过载近似作为后坐过载激励，研究惯性筒位移随过载系数和过载作用时间小的响应规律;当过载系数为k、作用时间为t时，后坐过载加速度a=kg设后坐过载激励作用时间为正弦周期的一半，即因此随着后坐过载的增大，在t0时刻后坐过载大小等于弹簧反作用力，此时F1=0，N= F，则

因此，在0≤t≤t0时，惯性筒位移x=0。

当t＞t0时惯性筒开始运动，建立解除保险运动过程中惯性筒运动微分方程如下:

整理式(3)得:

对式(4)求解，得惯性筒位移响应:

将t=t0时，x=0、˙x=0的初始条件带入式(5)求出C1和C2:

只有在后坐过载对惯性筒的作用时间t≥t0时，惯性筒才开始运动响应。而惯性筒位移响应解析表达式复杂，难以直观看出后坐过载环境参数周期T和过载系数k的影响规律。

1.2 刚性剪切后坐保险机构

某枪榴弹引信刚性剪切后坐保险机构主要由剪切销、惯性筒和保险球等组成，其中保险球为被保险件，惯性筒为保险件，剪切销为抗力件，引信体为结构件，结构如图4所示。

图4 刚性剪切后坐保险机构

弹丸发射时，在后坐过载作用下剪切销很快被剪断，惯性筒释放，然后惯性筒在后坐过载作用下运动，运动一定位移后释放保险球，接着保险球又释放其被保险件。

刚性后坐保险机构主要受力元件为剪切销。发射过程中剪切销受力较复杂，会受到压缩、弯曲、拉伸、剪切等多种形式的力的综合作用。对其进行理论分析较困难，因此通过仿真手段分析不同后坐过载作用时间下刚性剪切保险机构中惯性筒位移响应。

2 弹性后坐保险机构对后坐过载响应数值仿真

2.1 弹性保险机构对后坐过载响应仿真模型

运用ADAMS软件仿真分析弹性后坐保险机构对后坐过载作用时间及过载系数的响应。建立的仿真模型如图5所示。初始装配状态下弹簧有预压缩，引信体限制惯性筒上位移，惯性筒相对静止。定义惯性筒模型质量，在惯性筒与下挡块之间建立弹簧;对上挡块和下挡块施加约束，将其固定于groud(地面);设定弹簧预压载荷和弹簧刚度以及装配状态下的弹簧长度;ADAMS中不能设定弹簧质量，但弹簧质量较轻，可以忽略。弹性后坐保险机构结构参数如表1所列。

图5 单自由度弹性后坐保险机构仿真模型

表1 弹性后坐保险机构参数

当后坐过载系数为30 000、作用时间为150μs时，所对应的后坐过载系数曲线如图6所示。其他不同作用时间、不同过载系数的后坐过载曲线与此类似。

图6 按正弦规律简化的半周期后坐过载系数曲线

施加在惯性筒质心上的后坐过载函数为

式(6)中:k为后坐过载系数;m为惯性筒质量;g为重力加速度;t为后坐过载作用时间;d*time为ADAMS“角度制”算法标志。

2.2 弹性保险机构对后坐过载响应仿真结果

引信设计惯性筒位移达到9.95 mm时释放保险球，后坐保险机构解除保险。下面以后坐过载系数为30 000、作用时间为0.6 ms时的仿真为例来说明惯性筒运动过程。惯性筒运动位移状态变化如图7所示。

从图7可看出，惯性筒位移随着后坐激励的增大而增大，并且增大幅度先是逐渐增大，然后逐渐减小;惯性筒在0.36 ms时达到最大位移。此时后坐保险机构解除保险。

不同后坐过载下弹性保险机构解除保险时间仿真结果汇总如表2所列。

将表2列出的部分解除保险时间仿真结果代入式(5)得惯性筒位移，以验证仿真结果，如表3所列。

惯性筒位移响应仿真结果与理论计算结果较为一致，仿真结果可信。误差原因是仿真时忽略了弹簧质量。

由图7和表2可以得出:当相同作用时间的过载激励施加于惯性筒上时，后坐过载系数越大，惯性筒位移响应越快，后坐保险机构解除保险时间越短;当过载系数相同而过载作用时间不同的过载激励施加在惯性筒上时，过载作用时间越长，惯性筒位移开始响应时刻越滞后，惯性筒运动相同位移所用时间越长，后坐保险机构解除保险所用时间也越长;在过载作用时间较长时，相比于后坐过载系数大小，弹性保险机构对后坐过载作用时间更敏感。

图7 弹性后坐保险机构惯性筒位移状态

表2 弹性后坐保险机构解除保险时间仿真结果ms

表3 惯性筒位移响应仿真结果验证

3 刚性剪切保险机构对后坐过载响应数值仿真

3.1 刚性保险机构有限元仿真模型

由于刚性剪切保险机构中剪切销受力复杂，且剪切销变形属于大变形，故运用LS－DYNA仿真后坐过载作用下的惯性筒对剪切销的剪切过程。简化仿真模型如图8所示。

仿真时以cm·g·μs为基本单位，使用布尔运算对模型进行分割，并使用SOLID164实体单元扫掠划分网格，将上述后坐过载分别施加于惯性筒上。对模型添加对称约束，在引信体底面施加固定约束。

图8 引信刚性剪切保险机构1/4仿真模型

3.2 材料模型

引信体材料取7A04铝合金。惯性筒材料取45钢。剪切销材料取HPb63－3Y铜合金。将7A04铝合金、45钢和HPb63－3Y铜合金的材料模型均定义为“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”，各材料模型主要参数如表3所列。

表3 各材料模型主要参数［6－8］

3.3 刚性保险机构对后坐过载响应仿真结果

在ANSYS/LS－DYNA中对模型施加约束条件、施加载荷并设置求解参参数，运用LS－DYNA求解器求解运算，并在LS－PREPOST中查看数值仿真结果。

剪切销剪断时间、后坐保险解除保险时间(惯性筒运动位移9.95 mm的时间)仿真结果如表4所列(在此假设剪切销剪断仍未解除保险，只有惯性筒位移9.95 mm之后才解除保险)。

表4 剪切销剪断时间/解除保险时间μs

由表4可以看出在过载系数为3 000和10 000时，剪切销均没有被剪断，后坐保险也没有解除保险。在过载系数为20 000和30 000时，对应7种作用时间，剪切销均被剪断，但是在过载系数为20 000、作用时间为0.15ms和0.3ms，以及在过载系数为30 000、作用时间为0.15ms时，后坐保险没有解除。同时也可以看出:当过载系数相同而过载作用时间不同的过载激励施加在惯性筒上时，过载作用时间越长，惯性筒位移开始响应时间越长，后坐保险机构解除保险所用时间也越长;过载系数相同而过载作用时间不同的过载激励施加在惯性筒上时，过载作用时间越长，惯性筒对剪切销剪断作用时间越长，解除后坐保险的时间也越长;过载作用时间相同情况下，过载系数越大，剪切销剪断时间越短，解除后坐保险时间也越短。

4 两类后坐保险机构对后坐过载响应对比

对比分析弹性后坐保险机构和刚性后坐保机构险解除保险时间仿真结果，如表5所列。

表5 两类后坐保险机构解除保险时间μs

由表5可以看出:

1)刚性保险机构比弹性保险机构更易识别后坐过载极值，例如刚性保险机构在过载系数为30 00和10 000时均没有解除保险，而在相同过载系数下，过载作用时间较长时，弹性保险机构解除保险;

2)相同过载时间下，两类保险机构响应不同;当后坐过载能使保险机构解除保险且过载作用时间较长时，刚性保险机构比弹性保险机构解除保险时间长，例如在过载系数为20 000、过载作用时间0.60～9.60 ms时，对应的弹性保险机构解除保险时间分别为410μs、500μs、610μs、750μs、1 050 μs，而此时刚性保险机构解除保险时间分别为459μs、694 μs、981μs、1530μs、2646μs。由于后坐保险机构类型和原理不同，所以两类后坐保险机构解除保险时间对比没有意义。而之所以解除保险时间随后坐过载时间的增长而增长，是因为过载曲线形状未变，上升段变得平缓而峰值时间滞后了。

5 结论

通过对比引信弹性后坐保险机构和引信刚性后坐保险机构解除保险时间，可以看出两类保险机构对相同后坐环境响应不同。针对不同的发射环境，设计上应注意优选引信后坐保险机构原理和类型。枪榴弹等发射过载作用时间较短的弹道场合，引信弹性后坐保险机构可能难以响应而不能可靠解除保险，引信刚性剪切后坐保险机构更适合选用。后坐过载作用时间对引信弹性后坐保险机构和刚性后坐保险机构解除保险正确性影响较大。

［1］GJB/Z 135—2002，引信工程设计手册［S］.

［2］《引信设计手册》编写组编著.引信设计手册［M］.北京:国防工业出版社，1978.

［3］王孝福，尚雅玲，倪保航.引信单双自由度后坐保险机构性能分析［J］.四川兵工学报，2011，32(6):33－36.

［4］范存杰.用火箭法求剪切销动态抗剪强度的试验研究［J］.弹箭与制导学报，1995(4):62－65.

［5］王聪，杨卫，闫俊杰.一种新的剪切装置的设计［J］.机械设计与制造，2009(7):36－38.

［6］《工程材料实用手册》编辑委员会编.工程材料实用手册(第二版第1卷·结构钢不锈钢)［M］.北京:中国标准出版社，2001.

［7］《工程材料实用手册》编辑委员会.工程材料实用手册(第二版第4卷·钛合金铜合金)［M］.北京:中国标准出版社，2001.

［8］《中国航空材料手册》编辑委员会编.中国航空材料手册(第二版第3卷·铝合金镁合金)［M］.北京:中国标准出版社，2001.

(责任编辑周江川)

Response of Classic Setback Arm ing Devices to Setback Environment

LILai－fu，WANG Yu－shi，WEN Quan
(School of Mechanical Engineering，NUST，Nanjing 210094，China)

For optimizing the performance of fuze setback device，rigid body dynamics theory was used to analyze the responses of fuze single freedom elastic setback arming device to different setback overloads，ADMAS and LS－DYNA were used to simulate the responses of fuze elastic setback arming device and rigid setback arming device to different setback overloads.The simulation results of arming time demonstrate that the two types of devices have different responses to same setback environment，and overload time affects the correctness of device arming.The two types of arming device can arm possibly when the setback overload factor is big relatively.The rigid arming device can not arm possibly when the setback overload factor is small relatively nomatter how the setback overload action time changing，while the elastic setback arming device can arm with long setback overload action time.Therefore the species of fuze setback arming device should be correctly selected specially.

fuze;system design;simulation;setback arming device;overload time;elastic arming device;rigid arming device

:A

1006－0707(2014)07－0147－06

format:LILai－fu，WANG Yu－shi，WEN Quan.Response of Classic Setback Arming Devices to Setback Environment［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):147－152.

本文引用格式:李来福，王雨时，闻泉.引信经典后坐保险机构对过载时间的响应特性［J］.四川兵工学报，2014(7): 147－152.

10.11809/scbgxb2014.07.041

2014－02－24

武器装备预先研究项目(51305040401)。

李来福(1989—)，男，硕士研究生，主要从事引信设计研究。

TJ431.1