彈頭觸發引信防雨試驗水柱靶仿真

劉　鵬,王雨時,聞　泉,張志彪

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

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彈頭觸發引信防雨試驗水柱靶仿真

劉鵬,王雨時,聞泉,張志彪

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

為了研究彈頭觸發引信防雨試驗中采用的人工水柱靶與自然雨滴的等效性,通過數值仿真軟件,應用光滑粒子流體動力學方法和有限元法耦合方法,仿真了不同觸發區直徑的彈頭觸發引信內凹和外凸觸發機構分別撞擊雨滴及其質量等效水柱靶的過程,得到了撞擊過程中觸發區內觸桿剪切凸臺最大剪切應力的峰值、持續時間和波形。仿真結果表明,按質量等效原則確定的人工水柱靶能夠較準確地模擬自然雨滴撞擊引信觸發區過程,可用于彈頭觸發引信防雨性能試驗考核。

彈頭引信;雨滴;人工雨場;碰撞;數值仿真

為了確保全天候作戰效能,引信研制時需考核防雨性能[1-6],這對高速飛行的彈頭觸發引信尤其重要。靶場防雨試驗方法基本上有3種:①自然雨場中射擊;②人工雨場中射擊;③對自然雨場等效物射擊。因自然雨場受氣候影響很大,時機難以掌控,再現性也較差,故用自然雨場進行引信防雨性能試驗可行性較小。用等效靶板試驗引信防雨性能[7],涉及引信觸發機構的結構原理,等效準確性難以提高。與自然雨場相比,人工雨場可以控制和再現。美軍人工雨場是在靶道上設置多個噴頭,用噴頭中噴出的水滴來模擬自然雨場,調節噴頭的噴孔直徑大小、密度和水壓來控制雨強和雨滴密度[8]。但是這種人工雨場占地較大(靶道長約300～900m),并且必須選擇在充裕水源附近,因此未見得到普遍應用。文獻[7]中使用的人工雨場采用水簾靶和水柱靶2種等效方式,按質量等效原則來代替自然雨滴進行試驗。水簾靶等效雖簡單,但水簾下落速度低,受風速影響較大使水簾厚度不穩定;而水柱靶等效時,引信頭部觸發區撞擊受力狀況和過程與自然雨滴的更為接近。本文在文獻[9]的基礎上借助有限元仿真軟件,應用光滑粒子流體動力學方法和有限元法耦合方法,仿真彈頭觸發引信觸發區所受雨滴及其質量等效水柱的撞擊過程,從而評估和論證水柱靶對自然雨滴的等效情況。

1　水柱和水滴的質量等效關系

水柱靶通過噴孔由重力形成。噴孔暨水柱為多排交錯布局。假設引信頭部觸發區與水柱的碰撞過程中總有一次完全對中碰撞或近似對中碰撞。忽略有可能出現的多次偏心碰撞,只考慮對中或近似對中碰撞,如圖1所示。等效雨滴質量的水柱直徑與引信頭部觸發區直徑有關。因雨滴的密度基本恒定,故只要保證雨滴和其質量等效水柱在引信頭部觸發區內的水的體積相同即可。典型大暴雨直徑為5～6mm。取雨滴直徑為5.6mm。觸發區截取雨滴和水柱體積的數學模型如圖2和圖3所示,圖中,ra為觸發區半徑,rc為雨滴半徑,rb為等效水柱半徑。

圖1　引信撞擊水柱和雨滴

(1)

式中:r為柱坐標系中的圓柱面半徑。

圖2　引信觸發區撞擊雨滴時的截取區數學模型

圖3　引信觸發區撞擊水柱時的截取區八分之一數學模型

(2)

假定觸發區雨水質量為m,按質量等效原則,令V1=V2,即可求得等效水柱的直徑2rb。式(2)中的表達式不可積,只能求數值解。利用Matlab軟件求解引信觸發區直徑不同時與直徑5.6mm雨滴質量等效的水柱直徑,結果如表1所示。

表1　質量等效直徑5.6 mm雨滴的模擬水柱直徑

2　仿真模型

采用文獻[9]中仿真假設、模型、方法和參數建模,引信防雨研究所用的頭部簡化結構如圖4所示。雨滴與水柱2種有限元仿真模型如圖5所示。引信體和觸桿材料取45#鋼。

圖4　頭部簡化結構

3　仿真結果與分析

對雨滴和相應的質量等效水柱在各種撞擊速度下進行仿真分析,通過比較觸桿剪切凸臺的剪切應力來分析雨滴和水柱對引信的撞擊作用。圖6給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結構以300m/s的撞擊速度撞擊水柱靶的仿真效果。圖7給出了觸桿直徑2ra=6mm的外凸結構以不同速度撞擊目標時觸桿受到的剪切應力τ與時間t的關系曲線。觸桿直徑2ra=4mm,8mm,10mm的外凸結構以各種速度撞擊目標時觸桿剪切凸臺受到的最大剪切應力曲線與圖7相似,即撞擊雨滴與撞擊水柱應力曲線相近。對內凹結構的仿真也得出了此結論。仿真結果如表2至表5所示,表中,v為撞擊速度,τmax為最大剪切應力,δ為相對誤差。

圖6　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結構撞擊水柱過程(v=300 m/s)

圖7　觸桿直徑2ra=6 mm的外凸結構圓臺處剪切應力變化

v/(m·s-1)外凸結構τmax/MPa水滴質量等效水柱δ/%內凹結構τmax/MPa水滴質量等效水柱δ/%300228.68203.63-10.95275.27218.60-20.59500349.08354.301.50530.90509.31-4.07800549.08542.34-1.23637.02655.692.931100590.17590.12-0.01694.50682.32-1.75

表3　觸桿直徑2ra=6 mm時仿真結果

表4　觸桿直徑2ra=8 mm時仿真結果

表5　觸桿直徑2ra=10 mm時仿真結果

表6　不同速度對應的相對誤差絕對值的平均值

表7　不同觸桿直徑對應的相對誤差絕對值的平均值

從表2～表5可看出,引信內凹觸發結構撞擊雨滴和質量等效水柱時,觸桿剪切凸臺處受到的最大剪切應力大于外凸觸發結構時受到的最大剪切應力。當引信撞擊雨滴和質量等效水柱速度較小時,無論是內凹觸發結構還是外凸觸發結構,撞擊雨滴和質量等效水柱所產生的最大剪切應力之間差異稍大,這可能是因為水滴和水柱試驗本身的邊界條件存在差異,當速度較小時,邊界條件影響較大使得飛濺過程不同。結合表6可看出,撞擊速度越大觸桿剪切凸臺處受到的最大剪切應力相對誤差越小。由表7可知,當觸發區直徑與雨滴直徑相差較小時,質量等效水柱模擬雨滴碰撞過程更為一致。

4　結束語

本文采用光滑粒子流體動力學方法和有限元法耦合方法對彈頭引信觸發機構撞擊雨滴及質量等效水柱過程進行有限元仿真分析,仿真結果表明,應用水柱靶以質量等效原則等效自然雨滴能夠較好地模擬雨滴對彈頭引信的碰撞過程,且撞擊所產生的作用力變化規律、峰值和持續時間基本相同,最大作用力差異在25%以內。考慮到速度較小的彈丸,引信雨滴撞擊破壞作用較弱,故防雨意義不大;當水柱靶用于速度較大(800m/s以上)彈丸引信防雨試驗等效時,相對誤差在7.5%以內,因此按質量等效原則使用水柱靶模擬自然雨滴進行觸發引信防雨性能試驗是可行的。

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SimulationofWaterColumnTargetinRainproofTestforPointDetonatingFuze

LIUPeng,WANGYu-shi,WENQuan,ZHANGZhi-biao

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Inordertostudytheequivalenceofartificialrainwatercolumntargetandnaturalraindropforpointdetonatingfuzerainprooftest,theSPH(smoothedparticlehydrodynamics)andfiniteelementcouplingmethodwasappliedtothefiniteelementsimulationanalysisbynumericalsimulationsoftware,andtheprocessesofconcaveandconvextriggermechanismofdifferenttrigger-zone-diameterpointdetonatingfuzerespectivelyimpactingtheraindropsandmassequivalentwatercolumntargetsweresimulated.Thepeak,durationandwaveformofmaximumshearstressoftriggerrodshearfrontduringtheimpactprocesswereobtained.Simulationresultsshowtheartificialmassequivalentwatercolumntargetcanaccuratelysimulatetheprocessesoffuzetriggerzoneimpactingnaturalraindrop,anditcanbeappliedtopointdetonatingfuzeperformancetestassessment.

pointdetonatingfuze;raindrop;artificialrainfield;collision;numericalsimulation

2015-07-21

劉鵬(1991- ),男,碩士研究生,研究方向為引信及彈藥總體技術。E-mail:skiy906@163.com。

王雨時(1962- ),男,教授,研究方向為引信技術。E-mail:wyshi204@163.com。

TJ430.1

A

1004-499X(2016)01-0076-05