基于过载-超压耦合法的后级引信结构强度计算

徐蓬朝,郁 锐,聂 峥,黄惠东

(1 西安机电信息技术研究所,西安 710065;2 中国兵器工业第203研究所,西安 710065)



基于过载-超压耦合法的后级引信结构强度计算

徐蓬朝1,郁 锐2,聂 峥1,黄惠东1

(1 西安机电信息技术研究所,西安 710065;2 中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

针对串联攻坚弹前级战斗部爆炸时,后级引信会承受过载和冲击波超压场双重环境的作用和影响,提出基于过载-超压耦合法的后级引信结构强度计算方法。该方法通过建立后级引信的过载-超压耦合有限元模型,并施加过载-超压耦合载荷计算后级引信结构件的应力、应变,分析和校核引信的结构强度。试验结果表明:基于过载-超压耦合法的仿真分析结果与靶场试验结果相近,该方法可用于后级引信结构强度的设计和校核。

串联攻坚弹;后级引信;结构强度;耦合算法

0 引言

对于串联攻坚弹,前级聚能战斗部爆轰会对随进弹及引信产生较高的冲击过载[1],这是计算和校核后级引战系统结构强度必须考虑的环境因素。目前,大多数文献主要集中于对前级战斗部爆轰过载单一条件下后级引战系统的动态响应的分析和研究。文献[2]计算和分析了前级爆轰过载单一条件下随进弹及引信承受的压力并校核了弹体、引信的结构强度;文献[3]计算和分析了前级爆轰冲击过载单一条件下后级引信内部元器件、零部件应力、应变等物理量,校核了后级引信部分机芯结构的强度。

前级聚能战斗部静爆试验时,在距离前级爆心8 m处放置的传感器测得自由场超压达到0.085～0.11 MPa。经验[4]认为,当超压ΔP>0.05 MPa时,可破坏各种轻型兵器和引爆地雷。前级爆轰条件下产生的超压场也会对后级引信造成一定的冲击、损坏,因此,对于串联攻坚弹后级引信来说,在计算和分析其结构强度时须考虑前级爆炸产生的过载、超压场双重环境的作用和影响。目前,对前级爆轰条件下产生的冲击过载、超压场双重环境耦合作用下对后级引信壳体结构强度的数值计算、分析和研究尚未见报导,文中提出基于过载-超压耦合法的后级引信结构强度计算。

1 超压场及耦合分析方法介绍

1.1 超压场介绍

对于串联攻坚弹,聚能战斗部的主要作用是爆炸形成射流对目标进行开孔,同时前级战斗部爆轰场环境也会对随进弹、引信产生一定的影响。前级爆炸示意图如图1所示[5]。

图1 前级战斗部爆炸示意图

前级聚能战斗部爆炸时会迅速释放高温、高压火球并急剧向大气空间膨胀,产生极强的冲击波超压。超压的峰值取决于炸药的爆炸威力和距爆心的距离,球形装药在无限空气介质中爆炸时,冲击波超压可以用以下经验公式估算[6]:

(1)

式中:ΔP为冲击波波阵面上的超压(MPa);me为梯恩梯当量(kg);R为距爆心的距离(m)。

1.2 耦合分析方法

耦合法是指考虑了两种或多种工程物理场之间相互作用的分析方法。目前,大多数有限元分析软件具备多物理场耦合分析功能。耦合分析方法可分为两类:顺序耦合、直接耦合。顺序耦合分析是指以特定的顺序求解单个物理场的耦合分析方法,将前一个分析结果作为后续分析的边界条件施加,主要用于物理场间单向耦合分析。直接耦合分析是指通过使用包含多个物理场自由度的耦合单元,对多个物理场自由度同时计算,利用一次分析就可以直接求得结果[7-9]。

有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA于1976年在美国开发完成,经过几十年来不断改进,在武器结构设计、内弹道和终点弹道、军用材料研制等方面获得了广泛的应用。它能够较好的模拟真实世界的各种复杂性问题,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸以及金属成型等非线性动力冲击问题,同时LS-DYNA软件拥有弹丸、引信等常用的材料模型及对应的状态方程[10-11]。

2 基于过载超压耦合法的后级引信结构强度计算

前级聚能战斗部爆轰场环境对后级引信结构件产生影响的物理场主要包括过载和超压两种环境。较高的过载会对后级引信零部件、元器件造成破坏;前级爆炸产生的冲击波超压作用于引信的盖板、壳体等结构件也会造成一定的变形,甚至失效。

文中提出了基于过载-超压耦合算法的后级引信结构强度计算,过载-超压耦合法采用直接耦合分析方法。在进行过载-超压场耦合分析时,基本假设:

1)不考虑前级爆轰时产生的热及电磁辐射对引战系统的影响;

2)过载及超压场具有双向对称性;

3)材料各向同性假设,同一种材料内任一点在各个方向上具有相同的性质;

4)考虑各种结构的损伤、变形或破坏,结构破坏符合Von Mises强度准则;

5)忽略空气阻力对引战系统的影响。

主要计算分析方法如下:

1)建立后级引信的过载-超压耦合有限元模型。过载有限元模型和超压有限元模型应具有相互兼容型,两者耦合之后均不会对对方的计算、分析结果造成影响。

2)对过载-超压耦合有限元模型施加耦合边界条件。

3)对耦合有限元模型施加过载-超压载荷。过载载荷加载到模型所有节点组成的组元上,而超压载荷仅作用于引信盖板、壳体指定的表面上。

4)设置求解控制参数,对耦合有限元模型进行计算,并对计算结果进行分析。

基于过载-超压耦合算法的后级引信结构强度计算原理如图2所示。

图2 过载-超压耦合算法原理图

3 仿真与试验验证

仿真计算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建模过程采用cm-g-μs单位制,数值模型主要由后级战斗部、后级引信、连接螺钉、连接尾螺等部分组成,网格单元是六面体SOLID 164单元,引信有限元模型如图3所示。

战斗部、连接螺钉材料模型为JOHNSON-COOK,状态方程为GRUNEISEN;引信盖板、壳体等采用超硬铝7A04-T6,材料模型为PLASTIC_KINEMATIC。主要材料的部分参数见表1。

3.1 单一过载环境仿真分析

前级聚能战斗部爆轰会对随进弹及引信产生较高的冲击过载,根据以往的测试数据可知:前级战斗部在静态起爆条件下,后级引信的过载峰值可达15 000g以上,持续时间较短,在微秒量级,如图4所示。对实测的过载曲线进行简单的处理、变换后,将其作为输入条件加载到数值模型所有节点组成的组元上,进行仿真计算。

图3 后级引信有限元模型

材料密度ρ/(g·cm-3)弹性模量E/GPa屈服强度σy/MPa泊松比μ试验弹7852101275031引信盖板、壳体280110625033配重件A300110325033配重件B365110325033连接螺钉785207375030尾螺785207525030

图4 实测的后级引信过载曲线

仿真计算时间为1.0 ms,每2 μs输出一次计算结果文件。计算结束后,引信结构件峰值应力云图如图5所示。

图5 引信结构件的应力云图

在前级聚能战斗部爆轰冲击过载作用下,引信结构件发生了一定的应力、应变。由于战斗部约束了引信壳体、连接螺钉等的轴向位移,引信结构件最大应力、应变发生在盖板上。由图5可以看出,引信峰值应力位于盖板周向边缘,最大应力549.1 MPa,出现在408 μs时刻。引信盖板材料为超硬铝7A04-T6,材料屈服强度大于625 MPa,因此,在单一过载环境下,引信结构件不会发生塑性变形。

3.2 过载超压耦合算法仿真分析

根据式(1)可以计算出后级引信位置处的冲击波超压峰值约为0.26 MPa。假设前级战斗部爆炸场地为自由空间,则冲击波波形即P-t曲线如图6所示[12]。根据式(1)的计算结果,将P-t曲线作为冲击波超压载荷的输入条件。

图6 自由空间中的P-t曲线

计算分析采用过载-超压耦合算法,对耦合有限元模型施加过载-超压耦合载荷,过载载荷加载到模型所有节点组成的组元上,而冲击波超压载荷仅作用于引信盖板、壳体及螺钉等指定的表面上,过载-超压耦合载荷加载方向为弹体轴向,即弹尾法向。根据应力波在弹体介质中的传播规律及爆轰波在空气介质的传播规律可以确定过载-超压耦合载荷的加载时序。

仿真计算时间为1.0 ms,每2 μs输出一次计算结果文件。计算结束后,引信结构件峰值应力云图如图7所示。

在过载-超压耦合载荷作用下,引信结构件发生了较大的应力、应变。由于战斗部约束了引信壳体、连接螺钉等的轴向位移,引信结构件最大应力、应变位置发生在引信盖板上。由图7可以看出,引信峰值应力位于盖板周向边缘,最大应力1240.0 MPa,出现在426 μs时刻,其工作应力远大于盖板材料屈服强度。因此,在过载-超压耦合环境下,引信盖板会发生塑性变形,甚至破坏、失效。

图7 引信结构件的应力云图

综上,仿真计算结果表明后级引信结构件在前级战斗部爆轰场产生的过载-超压耦合环境下会产生较大的应力变形,甚至破坏、失效,这会对后级引信的发火可靠性产生一定的影响。

3.3 试验验证

外场静态起爆试验严格按照图3所示结构设计后级引信,试验时严格按照设计尺寸将后级战斗部放置于前级聚能战斗部后端,后级引信依靠8枚螺钉与战斗部可靠连接,其中,后级引信为测试引信,试验数量3发。

试验时,静态起爆前级战斗部。试验后,回收后级试验弹并拆卸引信,其中2发引信盖板边缘出现裂纹,变形较为严重,另外1发引信盖板完全断裂,试验结果如表2所示。

表2 试验后后级引信结构变形情况表

由试验结果可以看出,在前级战斗部爆轰场环境下,3发后级引信壳体、机芯配重件等结构件保持结果完好,而盖板均出现了不同程度的破坏性塑性变形,2发盖板顶部出现周向裂纹,1发盖板完全断裂,如图8所示。由3.2节计算分析结果可知,在过载-超压耦合环境下,引信盖板的工作应力远大于其材料屈服强度,引信盖板会发生塑性变形,甚至破坏、失效。

图8 试验后回收引信照片

3发外场试验结果表明:靶场试验时后级引信结构件失效、变形情况与过载-超压耦合法计算分析结果相近。因此,在设计后级引信时不仅要考虑过载环境对结构件的冲击,而且要考虑冲击波超压对引信盖板等结构件强度的影响。

4 结论

文中提出了基于过载-超压耦合法的后级引信结构强度计算方法。该方法通过建立后级引信的过载-超压耦合有限元模型,用加载和求解模块施加过载-超压耦合载荷计算后级引信结构件的应力、应变,分析和校核引信的结构强度。试验结果表明:基于过载-超压耦合法的仿真分析结果与靶场试验结果相近,该方法可以用于串联引信结构强度的设计和校核。在设计后级引信盖板、壳体等结构件时可通过选用强度较高的材料如TC4、30CrMnSiA2并应采取反射、衰减爆轰波等措施,使后级引信在前级战斗部爆轰场产生的过载-超压双重环境下不会发生较大的应力变形,保证后级引信的发火可靠性。

文中的不足之处,理论计算是在借鉴了经验公式的情况下进行的,仿真分析结果是在理想工况的基础上得到的,结果有一定的误差。

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Structural Strength Computation of Following Fuze Based on Coupled Overload-overpressure Method

XU Pengzhao1,YU Rui2,NIE Zheng1,HUANG Huidong1

(1 Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China; 2 No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In view of that following fuze is bound to undergo coupled overload-overpressure condition of precursory detonation, structural strength computation of following fuze based on coupled overload-overpressure method was put forward. The coupled overload-overpressure finite model of following fuze was built firstly, and coupled overload-overpressure loads were applied to calculate stress and strain of following fuze body to analyze the structure strength. The field experiment results show that the simulation results of coupled overload-overpressure method are close to that of field experiment and the method could be applied to structure strength calculation of following fuze.

tandem warhead; following fuze; structure strength; coupled overload-overpressure method

1015-12-18

徐蓬朝(1984-),男,河北霸州人,工程师,硕士,研究方向:机电引信技术。

TJ430.3

A