模擬發(fā)射環(huán)境下的引信瞬態(tài)響應(yīng)方法

王鵬釗，顧 強(qiáng)，李培英，李世中

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 056005)

0 引言

由于引信內(nèi)彈道環(huán)境試驗(yàn)往往需要大量樣本才能對(duì)其進(jìn)行有效的考核，想要獲取大量樣本就必不可少地要進(jìn)行成百上千的實(shí)彈打靶，對(duì)于高價(jià)值彈藥，可能出現(xiàn)研發(fā)周期延長(zhǎng)或研發(fā)費(fèi)用增加的情況，因此引信發(fā)射環(huán)境模擬研究是解決上述問(wèn)題的有效方法之一。

國(guó)內(nèi)已有采用氣體炮模擬雙環(huán)境力[1-3]、電磁驅(qū)動(dòng)模擬雙環(huán)境力[4-5]為引信發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)提供了一種通用平臺(tái)，或采用炮射模擬測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)將經(jīng)典內(nèi)彈道數(shù)學(xué)理論[6]與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法以擬合得出裝藥量與彈丸后坐過(guò)載、彈丸轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系[7-6]，但都限于雙環(huán)境力約束。

本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了以低過(guò)載、高價(jià)值彈藥引信環(huán)境模擬的多自變量算法為基礎(chǔ)[9-11]，實(shí)現(xiàn)以多環(huán)境力為約束條件，進(jìn)行引信發(fā)射環(huán)境的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，為引信發(fā)射環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的可靠性分析提供參考。

1 引信模擬發(fā)射環(huán)境的確定

在模擬發(fā)射環(huán)境研究的過(guò)程中，為研究裝填諸元對(duì)發(fā)射環(huán)境的影響，本文直接利用Matlab軟件編寫代碼來(lái)模擬發(fā)射環(huán)境[12-13]，試驗(yàn)彈模擬的引信發(fā)射環(huán)境曲線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)彈發(fā)射環(huán)境Fig.1 The environment of the test bomb launch

根據(jù)圖1可知，試驗(yàn)彈的膛壓范圍30～180 MPa，炮口臨界速度范圍600～800 m/s，后坐過(guò)載峰值為6 000～7 000g。

2 試驗(yàn)彈建模及網(wǎng)格劃分

使用SolidWorks 2018軟件建立試驗(yàn)彈的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件并選定材料參數(shù)，如表1所示。

圖2 試驗(yàn)彈簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified test bomb model

表1 材料種類和性質(zhì)

通過(guò)對(duì)比不同網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)MeshMetric中的ElementQuality功能來(lái)分析網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，當(dāng)圖3中網(wǎng)格系數(shù)越趨近0.85時(shí)，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量越多、質(zhì)量越好，故最終選用智能劃分網(wǎng)格的方式，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)彈引信網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of test bomb fuze

劃分網(wǎng)格數(shù)量越多對(duì)仿真結(jié)果的結(jié)算越精準(zhǔn)，但因計(jì)算機(jī)性能對(duì)結(jié)算時(shí)間和結(jié)果影響較大，網(wǎng)格一旦劃分較小便會(huì)出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤的現(xiàn)象，故合理的劃分網(wǎng)格既充分利用了計(jì)算機(jī)性能又能得出較精準(zhǔn)的仿真結(jié)果。綜合考慮，最終選取Element Metrics為1來(lái)進(jìn)行后續(xù)分析。

3 試驗(yàn)彈發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

對(duì)試驗(yàn)彈進(jìn)行模擬發(fā)射的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析和諧波響應(yīng)分析，觀察試驗(yàn)彈引信在發(fā)射環(huán)境模擬中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

3.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

觀察該模型在施加要求的載荷與約束后，目標(biāo)彈模型仿真分析的結(jié)果能否與處于該載荷下目標(biāo)彈的其他諸元相吻合，以確定該簡(jiǎn)易模型能夠較為準(zhǔn)確地反映目標(biāo)彈引信在發(fā)射環(huán)境中的狀態(tài)。

對(duì)目標(biāo)彈模型彈底施加目標(biāo)彈發(fā)射環(huán)境要求，并且彈丸在膛內(nèi)時(shí)隨時(shí)間變化的膛壓以及轉(zhuǎn)速載荷，并限制目標(biāo)彈在徑向的位移，建立瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析條件。載荷施加完成后，調(diào)整分析系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，將分析模式改為按時(shí)間為進(jìn)度的模式，將圖1中的時(shí)間橫坐標(biāo)等分為20個(gè)時(shí)間幀，每個(gè)單獨(dú)的時(shí)間幀中進(jìn)行兩步分析，得到一共40個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的目標(biāo)彈軸向、整體速度圖以及應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖5所示。

圖5 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析Fig.5 Simulation analysis of transient dynamics

由圖5中曲線可知，該模型在施加了發(fā)射環(huán)境載荷的狀態(tài)下能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)目標(biāo)彈在膛內(nèi)的動(dòng)態(tài)情況，其速度、加速度趨勢(shì)及大小滿足目標(biāo)彈的真實(shí)情況，其應(yīng)力應(yīng)變也都處于材料能夠承受的范圍內(nèi)，因此該模型能夠滿足代替目標(biāo)彈進(jìn)行仿真的要求，對(duì)其仿真可以一定程度地反映目標(biāo)彈的各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.2 模態(tài)與諧波響應(yīng)仿真分析

觀察試驗(yàn)彈引信在發(fā)射環(huán)境中的固有頻率范圍，既為諧振響應(yīng)分析提供仿真前期必要條件，也為試驗(yàn)彈的設(shè)計(jì)提供參考。諧振響應(yīng)仿真分析主要觀察試驗(yàn)彈引信在膛壓載荷下的振動(dòng)響應(yīng)，為試驗(yàn)彈動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析提供參考對(duì)象，如圖6、圖7所示。

圖6 模態(tài)響應(yīng)云圖Fig.6 Modal response cloud

圖7 各典型膛壓下的諧振響應(yīng)Fig.7 Resonance response under various typical bore pressures

選取五個(gè)膛壓數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為諧振響應(yīng)仿真的施加載荷，從而可解算出引信在試驗(yàn)彈中軸向位移、徑向位移和軸向速度的響應(yīng)幅值。

經(jīng)過(guò)模態(tài)仿真以及諧振響應(yīng)仿真分析可得：實(shí)彈在選取的五個(gè)膛壓點(diǎn)下的徑向、軸向位移和軸向速度的振幅隨振動(dòng)頻率的變化情況，組成整個(gè)試驗(yàn)彈引信的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3.3 試驗(yàn)彈與目標(biāo)彈引信仿真對(duì)比分析

將引信安裝在試驗(yàn)彈時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與安裝在目標(biāo)彈上時(shí)的發(fā)射環(huán)境進(jìn)行比對(duì)，分別觀察引信在試驗(yàn)彈彈頭、彈中、彈中后和彈尾時(shí)的響應(yīng)狀態(tài)。結(jié)果顯示引信安裝在試驗(yàn)彈彈尾部時(shí)仿真曲線與目標(biāo)彈發(fā)射環(huán)境的動(dòng)態(tài)響應(yīng)最為相似，基本達(dá)到與目標(biāo)彈發(fā)射環(huán)境一致的要求，如圖8所示。引信安裝于彈尾時(shí)三維簡(jiǎn)化模型如圖9所示。

圖8 引信置于彈尾時(shí)響應(yīng)對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the response of the fuze when it is placed at the tail

圖9 引信置于彈尾時(shí)三維簡(jiǎn)化模型Fig.9 Simplified three-dimensional model when the fuze is placed at the tail

4 結(jié)論

本文提出了模擬發(fā)射環(huán)境下的引信瞬態(tài)響應(yīng)方法。該方法使用ANSYS WORKBENCH進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)與諧振響應(yīng)仿真分析。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該試驗(yàn)彈模型代替目標(biāo)彈進(jìn)行仿真分析具有可行性，標(biāo)定試驗(yàn)彈模擬發(fā)射環(huán)境并明確引信在不同裝定位置的特性差異，為引信模擬試驗(yàn)及性能測(cè)試提供了方法。