引信剪切销保险机构解除保险特性仿真方法

杨宏亮，王雨时，闻 泉，李来福，薛 刚

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2.吉林市江机民科实业有限公司，吉林 吉林 132021)



引信剪切销保险机构解除保险特性仿真方法

杨宏亮1，王雨时1，闻 泉1，李来福1，薛 刚2

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2.吉林市江机民科实业有限公司，吉林 吉林 132021)

针对引信剪切销保险机构设计以经验为主的现状，提出了引信剪切销保险机构解除保险特性仿真方法。该方法采用LS-DYNA软件对引信剪切销保险机构解除保险特性进行了仿真研究，得到了结构尺寸和材料、过载大小和持续时间与剪切销剪断后轴向伸缩系数、径向伸缩系数的关系。仿真结果表明，在便于装配的前提下剪切销和保险销与支座间的间隙越小越好，在保险销和支座剪切销孔口棱角处去毛刺可制圆角但不可倒角，保险销、剪切销和支座的最优材料分别为45钢、HPb63-3Y铜合金和7A04铝合金，剪切销保险机构适用于过载持续时间较短的发射环境。

引信；数值仿真；设计原则；保险机构；剪切销

0 引言

剪切销保险机构是一种典型的引信刚性保险机构，主要由保险销、剪切销和支座构成。其作用机理是保险状态下由剪切销卡住保险销，使其不能运动从而保证被保险；在预定载荷如发射后坐过载的作用下，剪切销被剪断从而释放保险销进而释放被保险件。剪切销的剪切性能与预定载荷(如发射过载)、载荷持续时间、保险销材料和尺寸、剪切销材料和尺寸、支座材料和尺寸、剪切销与保险销的间隙、剪切销与支座的间隙等因素有关。

保险机构结构尺寸、过载大小与持续时间、保险机构各结构材料等不同时，剪切销剪切过程中弹性变形和塑性变形状态也会不同。剪切销在剪切过程中受力状态不同，其断口形状和位置也会不同，从而对引信解除保险正确性产生影响[1]。

目前尚未见到有详细描述刚性保险机构剪切销剪切过程的理论模型，也未见有详细描述刚性保险机构剪切销剪切变形影响因素的文献。文献[2]提供了一种分析剪切销抗剪强度的方法，通过数值仿真模拟了剪切销剪切断裂过程；文献[3]通过软件仿真和试验研究了相同环境下不同直径剪切销断裂情况；文献[4]通过试验研究了剪切销动态抗剪强度；但文献[2—4]均未深入研究各因素对剪切销剪切效果影响，目前未见有详细研究不同因素对剪切销剪切效果即引信剪切销保险机构解除保险特性影响的文献，也未见有系统、详细论述剪切销保险机构仿真和设计方法的文献，引信剪切销保险机构设计以经验为主。本文针对此问题，提出了引信剪切销保险机构解除保险特性仿真方法。

1 引信剪切销保险机构简化模型

简化后的1/4仿真模型如图1所示。对支座进行固定约束，对保险销和剪切销相应面进行面约束，应用布尔运算进行模型分割，并采用3D实体单元划分网格。基本单位制为cm·g·μs。

图1 剪切保险机构1/4仿真模型Fig.1 Quarter simulation model of shear pin safety device

2 仿真模型与材料仿真参数

2.1 材料模型及状态方程

支座材料取为7A04铝合金，保险销材料取为45钢，两者材料模型均为“MAT_JOHNSON_COOK”，剪切销材料取为HPb63-3Y，材料模型选为“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真参数如表1、表2和表3所列。

表1 7A04铝合金JONSON_COOK材料模型参数[5]

表2 45钢PJONSON_COOK材料模型参数[6-8]

表3 HPb63-3Y铜合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型参数[9]

2.2 结构仿真参数

引信剪切销保险机构属于精密机构，各零件尺寸均较小。为便于装配，剪切销直径应略小于支座上保险销孔直径和保险销上剪切销孔直径。因而，结构之间会存在一定的间隙，如图2所示。

图2 剪切销保险机构示意图Fig.2 Diagrammatic drawing of shear pin safety device

表4 拟仿真研究的剪切销保险机构结构参数

2)在保险销、剪切销和支座的材料和尺寸、间隙Δ均不变条件下，研究间隙δ1和δ2尺寸变化对剪切销剪切性能的影响。拟仿真研究的保险机构的剪切间隙参数如表5所列。

3)倒角、圆角和尖角尺寸参数

保险销棱角处倒角、圆角和尖角不同对剪切销剪切效果也会有影响，因此仿真时选取不同倒角、圆角和尖角数值进行研究。倒角、圆角和尖角位置如图3所示，尺寸参数如表6所列，其他结构尺寸参数同表4第一组。

表5 拟仿真研究的保险机构的剪切间隙参数

图3 保险销上剪切销孔孔口倒角、圆角和尖角示意图Fig.3 Diagrammatic drawing of chamfering, rounded corner and sharp corner at the pore of shear pin in safety pin

名称数值倒角R/mm0.050.10.20.3圆角C/mm0.050.10.20.3

2.3 保险件材料仿真参数

当剪切销和保险销材料不变、支座材料改变时，不同材料间接触刚度不同，剪切销剪切性能会有所差异。因此对支座取不同材料进行仿真分析。选取支座材料为7A04铝合金、45钢和HPb63-3Y铜合金。同理保持剪切销和支座材料不变，选取保险销材料为7A04铝合金、45钢和HPb63-3Y铜合金进行仿真；保持保险销和支座材料不变，选取剪切销材料为7A04铝合金、20钢、紫铜、锡青铜和HPb63-3Y进行仿真。剪切销选取的材料参数如表7所列。

2.4 过载仿真参数

跌落环境和发射环境对剪切销的剪切效果可能会有所不同。通过对保险销施加不同过载值和不同过载时间来仿真研究剪切销剪切过程受到的影响。仿真模拟过载系数如表8所列，其中过载曲线均取为[0，π]周期内的标准正弦曲线。

表7 剪切销材料主要参数[9-10]

表8 仿真模拟过载

以其中一组仿真参数为例的正弦惯性过载曲线如图4所示。其中保险销质量为0.035 g，过载系数为40 000，持续时间为100μs，保险销、剪切销和支座材料分别取45钢、HPb63-3Y铜合金和7A04铝合金。

图4 过载系数为40 000、持续时间为100μs的后坐过载曲线Fig.4 Setback overload curve whose overload coefficient is 40000 and duration is 100

2.5 评价指数论证

剪切销断口破坏规则程度反映了剪切销的剪切性能。剪切销断口越平整越能说明剪切销主要承受剪切应力，剪切销是被剪断而非拉断。剪切销如是被拉断则其断口位置不固定，可能会阻碍保险销在腔室内的顺畅滑动进而影响保险机构解除保险正确性，因此剪切销断口形状越平整越好。本文通过两个参数——轴向伸缩系数和径向伸缩系数来评价剪切销断口规则程度。轴向伸缩系数定义为剪切销断裂后所形成两部分长度之和与剪切销初始长度之比。该系数越小说明剪切销越接近于纯剪切，剪切效果越好。径向伸缩系数定义为剪切销断裂处断口最小直径与剪切销初始直径之比。该系数越大说明剪切销越接近于纯剪切，剪切效果越好。

2.6 仿真可信性说明

以某高炮引信剪切销保险机构为例来说明仿真正确性和可信性。其剪切销材料为线H65(Y1)，图定抗拉强度范围为588±98 MPa。根据其材料尺寸按本文所叙建模方法仿真，剪切销被剪断，其剪切应力曲线如图5所示。

图5 剪切销所受剪切应力曲线Fig.5 Shear stress curve of shear pin

由图5可知：剪切销受到的剪切应力峰值τP约为370 MPa。实验室试验测得剪切销剪断所需力如表9所列。

表9 剪切销断裂时保险销所受压力表

3 仿真方法

3.1 结构尺寸优化仿真

仿真过程中取过载系数为40 000，持续时间为100μs；保险销、剪切销和支座材料分别为45钢、HPb63-3Y铜合金和7A04铝合金。仿真研究表4所列结构尺寸参数的保险机构解除保险(剪切)过程，结果如表10所列。仿真研究表5所列结构尺寸参数的引信剪切销保险机构解除保险(剪切)过程，结果如表11、表12和表13所列。

表10 剪切销保险机构剪切销在孔中间隙对剪切性能影响的仿真结果

表11 剪切销保险机构保险销在孔中剪切间隙对剪切性能影响的仿真结果

表12 不同倒角尺寸参数仿真结果

3.2 材料优选仿真

保险销材料取45钢、剪切销材料取HPb63-3Y铜合金，支座取不同材料时仿真结果如表14所列。剪切销材料取HPb63-3Y、支座材料取7A04铝，保险销取不同材料仿真结果如表15所列。保险销材料取45钢、支座材料取7A04铝，剪切销取不同材料仿真结果如表16所列。

表13 不同圆角尺寸参数仿真结果

表14 支座取不同材料仿真结果

表15 保险销取不同材料仿真结果

表16 剪切销取不同材料仿真结果

3.3 过载影响仿真

保险销和支座材料分别取45钢和7A04铝合金，剪切销材料取HPb63-3Y。不同过载而持续时间相同的仿真结果如图6所示。过载相同而过载持续时间不同的仿真结果如表17所列。

3.4 仿真结果分析和讨论

由表10可看出：在其他条件不变情况下，随着间隙δ和间隙Δ的增大，轴向伸缩系数均增大，径向伸缩系数均减小，说明剪切效果变差。由表11可看出：在δ1和δ2尺寸差别较小时，剪切销有比较理想的剪切效果；δ1和δ2尺寸差别较大时剪切销剪切效果明显变差。结合表10和表11可知，各间隙越小剪切销剪切效果越好。但间隙过小则会增加装配难度，因此设计此类机构时应综合取舍，在保证装配便利的基础上，设计的结构间隙尺寸应尽可能减小。

图6 不同过载值下剪切销剪切结果Fig.6 The shear pin shear result of different overload

过载持续时间/μs轴向伸缩系数径向伸缩系数1000.9780.7945001.0050.54410001.0110.364

由表12可看出：保险销存在倒角结构时剪切销剪切效果变差。由表13可看出：随着圆角尺寸增大，轴向伸缩系数没有明显变化而径向伸缩系数逐渐增大，说明剪切销剪切效果越来越好。因此相关零件在加工时，为防止存在硬棱毛刺影响保险销在支座孔内的顺畅运动，可以对零件棱边略微倒圆而不必强调要求尖角。由表14可看出:支座选用7A04铝合金材料时剪切效果优于其他材料且铝合金材料密度小、经济性好，支座要求质量要轻，因此工程上一般可选用铝合金作为支座材料。保险销是后坐过载响应零件，在设计中应选用密度较大、强度较高的材料，结合表15，保险销选用45钢材料剪切效果较好且优于HPb63-3Y铜合金。结合表16可知，20钢发生了明显的塑性变形但未被剪断，因为其为非脆性材料，弹塑性较强，剪切变形困难，所以剪切销材料不适宜选用低碳钢。铜合金材料剪切效果优于铝合金材料，而紫铜(T3)疲劳强度较小，易疲劳失效，勤务处理过程中可能断裂[1]，黄铜(HPb63-3Y)材料明显优于其它铜合金材料(如锡青铜等)，因此剪切销应选用易切削类黄铜(如HPb63-3等)材料或性能与其接近的硬度大、脆性好的材料。由图6可看出：过载系数k为10 000时，剪切销发生了变形但没有被剪断；过载系数k为40 000时，剪切销被剪断。由表17可看出：过载相同的条件下，过载冲击持续时间较短时，剪切效果较好；随过载冲击持续时间增长剪切效果变差。因此刚性保险机构更适用于过载持续时间较短的发射环境。

4 结论

本文提出了引信剪切销保险机构解除保险特性仿真方法。该方法采用LS-DYNA软件对引信剪切销保险机构解除保险特性进行了仿真研究，得到了结构尺寸和材料、过载大小和持续时间与剪切销剪断后轴向伸缩系数、径向伸缩系数的关系。仿真结果表明，在便于装配前提下剪切销与保险销和基座间的间隙越小越好；保险销与基座间两侧间隙应较为接近或保持一致；在支座和保险销剪切销孔口棱角处可制圆角去毛刺但不可倒角，也不必强调尖角；7A04铝合金材料作为支座材料优于45钢和HPb63-3铜合金；HPb63-3铜合金作为剪切销材料优于7A04铝合金和45钢；45钢作为保险销材料优于7A04铝合金和HPb63-3铜合金；剪切销保险机构适用于过载持续时间较短的发射环境。可为剪切销保险机构的优化设计提供参考。

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Simulation of Fuze Shear Pin Safety Device Arming Property

YANG Hongliang1, WANG Yushi1, WEN Quan1, LI Laifu1, XUE Gang2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Jiangsu,Nanjing,210094,China; 2.Jilin Jiangji Minco Industry Co. Lid, Jilin 132021,China)

According to the situation that shear pin safety device in fuze was usually designed empirically，this article present the simulation of arming property of shear pin safety device in fuze，LS-DYNA was used to research arming property of shear pin safety device in fuze，relationship between structure dimension and materials，size and duration of loads with coefficient of axial deformation and coefficient of radial deformation after shear pin was cut. Simulation result turned out that clearances between shear pin，aiming pin with supporting seat were smallest possibly in easy assembly conditions. Making rounded corner but not making fillet to remove burrs in the edges and corners of shear pin pores in aiming pin and supporting seat. The best materials of aiming pin，shear pin and supporting seat respectively were 45 steel，HPb63-3Y copper alloy and 7A04 aluminum alloy. Shear pin safety device was suitable for short duration launch environment.

fuze；numerical simulation；design principle；safety device；shear pin

2016-03-25

杨宏亮(1990-)，男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：引信系统分析与设计。Email：15952043154@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)05-0031-06