航空火箭彈引信擦地炸最小發(fā)火落角仿真方法

楊　翔，王雨時，聞　泉，榮　竹，杜躍飛

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 吉林江北機械有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132021)

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航空火箭彈引信擦地炸最小發(fā)火落角仿真方法

楊翔1，王雨時1，聞泉1，榮竹2，杜躍飛2

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 吉林江北機械有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132021)

0引言

航空火箭彈的發(fā)射平臺是載機，載機上彈丸的射角一般比較小，此發(fā)射條件決定了其以小落角碰擊地面目標的可能性非常大。因此，研究航空火箭彈引信擦地炸作用時的動態(tài)特性很有必要。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，運用數(shù)值仿真方法深入研究彈丸侵徹目標問題特別是引信碰擊目標問題逐漸成為現(xiàn)實。文獻[1-2]通過彈丸侵徹靶板仿真研究表明，彈體與內(nèi)部裝藥(或彈載火工品)的過載變化規(guī)律大致相同。文獻[3]通過仿真研究得出引信中的泡沫鋁墊片能起到較好的抗高過載沖擊作用。文獻[4]就某空空導(dǎo)彈對直升機的高速碰撞過程進行了數(shù)值模擬，對碰撞過程中應(yīng)力波和過載在彈體內(nèi)的傳遞及其對引信系統(tǒng)的影響等動力學(xué)特性進行了探討。文獻[5]通過仿真獲得了反艦導(dǎo)彈高速碰擊艦船鋼甲過程中戰(zhàn)斗部能量及速度變化規(guī)律，得到引信延期作用時間，為設(shè)計引信發(fā)火機構(gòu)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

文獻[1-5]研究的主要是侵徹過程中彈丸破壞情況及過載系數(shù)、戰(zhàn)斗部能量和速度的變化規(guī)律，而通過仿真軟件評估觸發(fā)引信擦地炸動態(tài)特性并研究引信擦地炸發(fā)火落角的文獻至今未見。本文針對此問題，提出了航空火箭彈引信擦地炸最小發(fā)火落角仿真方法。

1數(shù)值仿真方法

1.1數(shù)值模擬研究思路

以57 mm航空火箭彈引信為研究背景，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對其以165 m/s(最小落速)、173 m/s(最大射程對應(yīng)落速)及243 m/s(小落角狀態(tài)落速)三種落速、小落角(1°～15°)碰擊不同目標進行數(shù)值仿真，得到引信側(cè)擊發(fā)火機構(gòu)擊針部件(由擊針和球座組成)戳擊動態(tài)特性，進而對引信擦地炸作用的瞬發(fā)度、觸發(fā)靈敏度和發(fā)火可靠性進行分析和評估，研究不同工況下引信擦地炸最小發(fā)火落角變化規(guī)律。

1.2仿真模型建立

該火箭彈簡化為引信、藥柱、彈體和尾翼4部分，引信又簡化為引信體、擊針、球座、側(cè)擊球、球蓋、上帽和彈簧7部分。由于彈丸小落角碰擊目標時，側(cè)擊球所受側(cè)擊過載作用對擊針部件提供的作用力并不是遠遠大于彈簧對擊針部件的抗力，所以不能忽略彈簧對擊針部件的抗力作用。在此在擊針部件上施加等效壓力載荷，模擬彈簧抗力的作用。彈簧模塊按最不利引信發(fā)火的情況，即彈簧抗力散布上限(5.23 N)進行處理。仿真火箭彈碰擊靶板過程簡化后的彈丸整體模型和引信頭部側(cè)擊發(fā)火機構(gòu)模型如圖1所示。

由于該火箭彈的超口徑尾翼剛度和強度較弱，彈丸質(zhì)量較大，仿真表明，其對引信擦地炸過程影響不大，故后續(xù)仿真不考慮超口徑尾翼影響問題。

為了簡化有限元模型，提高計算效率，作如下假設(shè)：

1)忽略彈丸章動引起的攻角偏差，碰擊靶板時彈丸速度與彈丸軸線重合，即攻角為0；

2)彈頭體、連接螺、燃燒室、噴管材料一致，通過螺紋連接，簡化為一個“模塊”——彈體；

3)引信體與彈體、擊針與球座均通過共節(jié)點法固連；

4)火帽沒有定義成單獨的模塊，包含在引信體內(nèi)，火帽能量輸入端面與引信體內(nèi)孔底端面重合，如圖1(b)所示；

5)對引信體、球蓋、球座等簡化模塊進行配重處理，使其與真實體質(zhì)量保持一致；

6)彈丸和靶板均為均勻連續(xù)介質(zhì)；

7)彈丸碰擊靶板的整個過程為絕熱過程，且不考慮熱效應(yīng)；

8)忽略重力加速度；

9)忽略空氣阻力影響；

10)彈丸和靶板的初始應(yīng)力值設(shè)為0；

11)靶板整體運動忽略不計。

火箭彈小落角碰擊目標(靶板)的有限元模型如圖2所示。

圖1　火箭彈碰擊目標(靶板)三維簡化模型Fig.1　Simplified model of impacting targets

圖2　火箭彈小落角碰擊目標(靶板)的有限元模型Fig.2　Finite element model of impactingtargets at small falling angle

1.3材料模型與參數(shù)

彈體材料為30CrMnSiA鋼；尾翼材料為2A12鋁合金；藥柱材料為鈍黑鋁；引信體材料采用等效鋁合金(按質(zhì)量等效原則確定等效密度ρ)；擊針材料為鋼絲；球座、球蓋材料為2A12鋁合金；側(cè)擊球材料為不銹鋼；上帽材料為08鋼；靶體分別選用2A12鋁合金板、水曲柳膠合板、紅松木板和土壤，土壤采用軟土模型，其密度較低，抗剪強度低，對引信靈敏度而言是最不利的。彈體和尾翼采用Johnson-Cook材料模型；側(cè)擊球和擊針采用RIGID材料模型；其余組成單元所用材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系差別不大，是應(yīng)變率相關(guān)性較小的材料，均采用PLASTIC_KINEMATIC材料 模型。各材料模型仿真主要參數(shù)如表1—表3所列。

表1　側(cè)擊球和擊針材料模型主要參數(shù)[6]

2仿真結(jié)果分析

火箭彈以173 m/s落速分別以1°、2°、3°、5°、7°、10°、15°落角碰擊不同厚度的2A12鋁合金靶、水曲柳膠合板靶、紅松木板靶3種薄目標和土壤目標。2A12鋁合金靶厚度分別為1 mm、2 mm、5 mm，水曲柳膠合板靶和紅松木板靶厚度均為10 mm、15 mm、25 mm.各種工況下?lián)翎槻考翐艋鹈睍r間和動能的仿真結(jié)果分別如表4—表5所列。其中，擊針部件戳擊火帽時間和動能是指擊針開始運動到戳入火帽0.6 mm處時的時間和動能。擊針戳入火帽0.6 mm處時其動能大于火帽發(fā)火所需能量就能發(fā)火，仿真建模時擊針部件刺發(fā)火帽的行程(即仿真模型中初始狀態(tài)擊針尖距離火帽平面的距離)已包含戳入火帽的0.6 mm。

表2　彈體和尾翼Johnson-Cook材料模型主要參數(shù)[6-9]

表3　PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數(shù)[6-7,10-11]

表4　擊針部件戳擊火帽時間t(μs)

表5　擊針部件戳擊火帽動能Ek(10-3J)

2.1瞬發(fā)度

從表4可看出在擊針部件均能戳擊到火帽的工況下(落角7°以上)，火箭彈小落角碰擊不同厚度目標時擊針部件戳擊火帽時間隨落角變化曲線如圖3所示。

仿真表明小落角工況下，相同落角時擊針部件戳擊火帽時間隨目標厚度增加而減少；相同目標厚度時其戳擊時間隨落角增大而減小。即引信擦地炸作用的瞬發(fā)度隨目標厚度增加而增高、隨落角增大而增高,說明擊針運動時間占瞬發(fā)度的絕大部分。

2.2觸發(fā)靈敏度

從表5可看出，火箭彈小落角碰擊表中所列4種目標在擊針部件能夠戳擊到火帽的工況下，相同落角時擊針部件戳擊火帽能量隨目標厚度增加而增大；相同目標厚度時其戳擊火帽能量隨落角增大而增大。擊針部件戳擊火帽能量越大，引信越容易發(fā)火。即小落角工況下，引信擦地炸作用的觸發(fā)靈敏度隨目標厚度增加而增高、隨落角增大而增高。

2.3引信擦地炸作用過程

仿真所得火箭彈小落角碰擊薄目標(以10°落角，2 mm厚2A12鋁合金靶為例)和厚目標(以10°落角，土壤為例)時，引信側(cè)擊發(fā)火機構(gòu)擦地炸作用過程分別如圖4和圖5所示。

圖3　碰擊不同厚度目標時擊針部件戳擊火帽時間隨落角變化曲線Fig.3　Cures of time of firing pin part poking primerwith falling angle when impacting targets of differentthickness

圖4　火箭彈以10°落角碰擊2 mm厚2A12鋁合金靶Fig.4　Impacting target of 2A12 aluminum alloy withthe thickness of 2 mm at falling angle of 10°

從圖中可以看出，側(cè)擊球在慣性力作用下向下運動，擠壓球座錐面，從而推動擊針部件使其沿軸向運動，直至戳擊到火帽，與理論分析情況相符。

圖5　火箭彈以10°落角碰擊土壤Fig.5　Impacting the soil at falling angle of 10°

2.4擦地炸發(fā)火落角

以173 m/s落速為例，各種工況下?lián)翎槻考翐艋鹈眲幽芘c火帽發(fā)火所需能量之比i如表6所列(火帽“靜態(tài)”100%發(fā)火能量為7.845×10-3J)。

表6　擊針部件戳擊火帽動能與火帽發(fā)火所需能量之比i

表6中，i=0表示擊針部件不能戳擊到火帽；0

結(jié)合表6所得結(jié)果，火箭彈以165 m/s、173 m/s和243 m/s三種落速，小落角碰擊2A12鋁合金靶、水曲柳膠合板靶、紅松木板靶和土壤目標時，各種工況下?lián)翎槻考軌虼翐舻交鹈鼻掖翐裟芰孔阋允够鹈笨煽堪l(fā)火的最小落角如表7所列。

從表7可以看出，火箭彈碰擊上述每一種目標時，火帽可靠發(fā)火的最小落角均隨目標厚度增加而減小，隨落速增大而減小。且目標越軟(目標硬度：2A12鋁合金>水曲柳膠合板>紅松木板>土壤)，火帽可靠發(fā)火的最小落角越小。

仿真表明火箭彈以最小落速165 m/s(即最不利于發(fā)火的落速)、小落角碰擊2A12鋁合金靶(厚2 mm以上)、水曲柳膠合板靶(厚10 mm以上)、紅松木板靶(厚度10 mm以上)和土壤4種目標時，引信擦地炸最小發(fā)火落角分別為7°、7°、5°、2°，綜合評定后取其最小發(fā)火落角為7°，滿足落角不小于8°應(yīng)可靠發(fā)火的設(shè)計要求。

3試驗驗證

靶場射擊試驗結(jié)果如表8所列，小落角發(fā)火試驗(6.5°射角)理論落角為8.1°，常用射程試驗(13.5°射角)理論落角為21.1°，目標為軟土，引信能夠滿足擦地炸發(fā)火率要求，驗證了仿真過程和結(jié)果的可信性。

表7　火帽可靠發(fā)火的最小落角

表8　靶場射擊試驗結(jié)果

4結(jié)論

本文提出了航空火箭彈引信擦地炸最小發(fā)火落角仿真方法。該方法運用ANSYS/LS-DYNA軟件對引信側(cè)擊發(fā)火機構(gòu)擦地炸作用過程進行數(shù)值仿真，得到引信擊針部件戳擊動態(tài)特性。仿真結(jié)果表明：引信瞬發(fā)度和觸發(fā)靈敏度均隨目標厚度增加而增高、隨落角增大而增高；碰擊2A12鋁合金靶(厚度2 mm以上)、水曲柳膠合板靶(厚度10 mm以上)、紅松木板靶(厚度10 mm以上)和土壤4種目標時，經(jīng)綜合評定后得到引信擦地炸最小發(fā)火落角為7°，滿足落角不小于8°應(yīng)可靠發(fā)火的設(shè)計要求；且落速越大、目標越軟越厚，最小發(fā)火落角越小。經(jīng)靶場試驗，進一步驗證了仿真過程和結(jié)果的可信性。該方法為觸發(fā)引信擦地炸最小發(fā)火落角計算提供了一條全新的思路。

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摘要:針對航空火箭彈觸發(fā)引信擦地炸時瞬發(fā)度、觸發(fā)靈敏度和發(fā)火可靠性評估的問題，提出了引信擦地炸最小發(fā)火落角仿真方法。該方法運用ANSYS/LS-DYNA軟件對引信側(cè)擊發(fā)火機構(gòu)擦地炸作用過程進行數(shù)值仿真，得到引信擊針部件戳擊動態(tài)特性。仿真與試驗結(jié)果表明：引信瞬發(fā)度和觸發(fā)靈敏度均隨目標厚度增加而增高、隨落角增大而增高；碰擊2A12鋁合金靶(厚度2 mm以上)、水曲柳膠合板靶(厚度10 mm以上)、紅松木板靶(厚度10 mm以上)和土壤4種目標時，引信擦地炸最小發(fā)火落角為7°,且落速越大、目標越軟越厚，最小發(fā)火落角越小。

關(guān)鍵詞:觸發(fā)引信；數(shù)值仿真；擦地炸；發(fā)火落角

Minimum Graze Functioning Falling Angle Simulation of Aircraft Rocket Projectile FuzeYANG Xiang1, WANG Yushi1, WEN Quan1, RONG Zhu2, DU Yuefei2

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;

2. Jilin Jiangbei Machinery Manufacturing Co., LTD, Jilin 132021, China)

Abstract:To assess the instantaneity , the contact sensitivity and function reliability of aircraft rocket projectile contact fuze graze bursting, a simulation method on minimum graze functioning falling angle of fuze was proposed in this paper. The dynamic characteristics of the fuze sideway inertial firing device when graze bursting were simulated by ANSYS/LS-DYNA in this method, through which the firing pin part’s poking dynamic characteristic was got. The results indicated that both the instantaneity and the contact sensitivity of the fuze are increasing with the target thickness and the falling angle. The minimum fuze graze functioning falling angle is 7° when impacting targets of aluminum alloy with the thickness of 2 mm above. The faster the falling speed and the softer and thicker the target was, the smaller the falling angle was.

Key words:contact fuze；numerical simulation；graze burst；functioning falling angle

中圖分類號:TJ430.3

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2015)06-0025-06

作者簡介:楊翔(1989—)，男，浙江慈溪人，碩士研究生，研究方向：引信設(shè)計及其動態(tài)特性。E-mail：512238307@qq.com。

基金項目:武器裝備預(yù)先研究項目資助(51305060301)

*收稿日期:2015-05-20