引信剪切銷保險機構解除保險特性仿真方法

楊宏亮，王雨時，聞 泉，李來福，薛 剛

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.吉林市江機民科實業有限公司，吉林 吉林 132021)

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引信剪切銷保險機構解除保險特性仿真方法

楊宏亮1，王雨時1，聞 泉1，李來福1，薛 剛2

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.吉林市江機民科實業有限公司，吉林 吉林 132021)

針對引信剪切銷保險機構設計以經驗為主的現狀，提出了引信剪切銷保險機構解除保險特性仿真方法。該方法采用LS-DYNA軟件對引信剪切銷保險機構解除保險特性進行了仿真研究，得到了結構尺寸和材料、過載大小和持續時間與剪切銷剪斷后軸向伸縮系數、徑向伸縮系數的關系。仿真結果表明，在便于裝配的前提下剪切銷和保險銷與支座間的間隙越小越好，在保險銷和支座剪切銷孔口棱角處去毛刺可制圓角但不可倒角，保險銷、剪切銷和支座的最優材料分別為45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金，剪切銷保險機構適用于過載持續時間較短的發射環境。

引信；數值仿真；設計原則；保險機構；剪切銷

0 引言

剪切銷保險機構是一種典型的引信剛性保險機構，主要由保險銷、剪切銷和支座構成。其作用機理是保險狀態下由剪切銷卡住保險銷，使其不能運動從而保證被保險；在預定載荷如發射后坐過載的作用下，剪切銷被剪斷從而釋放保險銷進而釋放被保險件。剪切銷的剪切性能與預定載荷(如發射過載)、載荷持續時間、保險銷材料和尺寸、剪切銷材料和尺寸、支座材料和尺寸、剪切銷與保險銷的間隙、剪切銷與支座的間隙等因素有關。

保險機構結構尺寸、過載大小與持續時間、保險機構各結構材料等不同時，剪切銷剪切過程中彈性變形和塑性變形狀態也會不同。剪切銷在剪切過程中受力狀態不同，其斷口形狀和位置也會不同，從而對引信解除保險正確性產生影響[1]。

目前尚未見到有詳細描述剛性保險機構剪切銷剪切過程的理論模型，也未見有詳細描述剛性保險機構剪切銷剪切變形影響因素的文獻。文獻[2]提供了一種分析剪切銷抗剪強度的方法，通過數值仿真模擬了剪切銷剪切斷裂過程；文獻[3]通過軟件仿真和試驗研究了相同環境下不同直徑剪切銷斷裂情況；文獻[4]通過試驗研究了剪切銷動態抗剪強度；但文獻[2—4]均未深入研究各因素對剪切銷剪切效果影響，目前未見有詳細研究不同因素對剪切銷剪切效果即引信剪切銷保險機構解除保險特性影響的文獻，也未見有系統、詳細論述剪切銷保險機構仿真和設計方法的文獻，引信剪切銷保險機構設計以經驗為主。本文針對此問題，提出了引信剪切銷保險機構解除保險特性仿真方法。

1 引信剪切銷保險機構簡化模型

簡化后的1/4仿真模型如圖1所示。對支座進行固定約束，對保險銷和剪切銷相應面進行面約束，應用布爾運算進行模型分割，并采用3D實體單元劃分網格。基本單位制為cm·g·μs。

圖1 剪切保險機構1/4仿真模型Fig.1 Quarter simulation model of shear pin safety device

2 仿真模型與材料仿真參數

2.1 材料模型及狀態方程

支座材料取為7A04鋁合金，保險銷材料取為45鋼，兩者材料模型均為“MAT_JOHNSON_COOK”，剪切銷材料取為HPb63-3Y，材料模型選為“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真參數如表1、表2和表3所列。

表1 7A04鋁合金JONSON_COOK材料模型參數[5]

表2 45鋼PJONSON_COOK材料模型參數[6-8]

表3 HPb63-3Y銅合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型參數[9]

2.2 結構仿真參數

引信剪切銷保險機構屬于精密機構，各零件尺寸均較小。為便于裝配，剪切銷直徑應略小于支座上保險銷孔直徑和保險銷上剪切銷孔直徑。因而，結構之間會存在一定的間隙，如圖2所示。

圖2 剪切銷保險機構示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of shear pin safety device

表4 擬仿真研究的剪切銷保險機構結構參數

2)在保險銷、剪切銷和支座的材料和尺寸、間隙Δ均不變條件下，研究間隙δ1和δ2尺寸變化對剪切銷剪切性能的影響。擬仿真研究的保險機構的剪切間隙參數如表5所列。

3)倒角、圓角和尖角尺寸參數

保險銷棱角處倒角、圓角和尖角不同對剪切銷剪切效果也會有影響，因此仿真時選取不同倒角、圓角和尖角數值進行研究。倒角、圓角和尖角位置如圖3所示，尺寸參數如表6所列，其他結構尺寸參數同表4第一組。

表5 擬仿真研究的保險機構的剪切間隙參數

圖3 保險銷上剪切銷孔孔口倒角、圓角和尖角示意圖Fig.3 Diagrammatic drawing of chamfering, rounded corner and sharp corner at the pore of shear pin in safety pin

名稱數值倒角R/mm0.050.10.20.3圓角C/mm0.050.10.20.3

2.3 保險件材料仿真參數

當剪切銷和保險銷材料不變、支座材料改變時，不同材料間接觸剛度不同，剪切銷剪切性能會有所差異。因此對支座取不同材料進行仿真分析。選取支座材料為7A04鋁合金、45鋼和HPb63-3Y銅合金。同理保持剪切銷和支座材料不變，選取保險銷材料為7A04鋁合金、45鋼和HPb63-3Y銅合金進行仿真；保持保險銷和支座材料不變，選取剪切銷材料為7A04鋁合金、20鋼、紫銅、錫青銅和HPb63-3Y進行仿真。剪切銷選取的材料參數如表7所列。

2.4 過載仿真參數

跌落環境和發射環境對剪切銷的剪切效果可能會有所不同。通過對保險銷施加不同過載值和不同過載時間來仿真研究剪切銷剪切過程受到的影響。仿真模擬過載系數如表8所列，其中過載曲線均取為[0，π]周期內的標準正弦曲線。

表7 剪切銷材料主要參數[9-10]

表8 仿真模擬過載

以其中一組仿真參數為例的正弦慣性過載曲線如圖4所示。其中保險銷質量為0.035 g，過載系數為40 000，持續時間為100μs，保險銷、剪切銷和支座材料分別取45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金。

圖4 過載系數為40 000、持續時間為100μs的后坐過載曲線Fig.4 Setback overload curve whose overload coefficient is 40000 and duration is 100

2.5 評價指數論證

剪切銷斷口破壞規則程度反映了剪切銷的剪切性能。剪切銷斷口越平整越能說明剪切銷主要承受剪切應力，剪切銷是被剪斷而非拉斷。剪切銷如是被拉斷則其斷口位置不固定，可能會阻礙保險銷在腔室內的順暢滑動進而影響保險機構解除保險正確性，因此剪切銷斷口形狀越平整越好。本文通過兩個參數——軸向伸縮系數和徑向伸縮系數來評價剪切銷斷口規則程度。軸向伸縮系數定義為剪切銷斷裂后所形成兩部分長度之和與剪切銷初始長度之比。該系數越小說明剪切銷越接近于純剪切，剪切效果越好。徑向伸縮系數定義為剪切銷斷裂處斷口最小直徑與剪切銷初始直徑之比。該系數越大說明剪切銷越接近于純剪切，剪切效果越好。

2.6 仿真可信性說明

以某高炮引信剪切銷保險機構為例來說明仿真正確性和可信性。其剪切銷材料為線H65(Y1)，圖定抗拉強度范圍為588±98 MPa。根據其材料尺寸按本文所敘建模方法仿真，剪切銷被剪斷，其剪切應力曲線如圖5所示。

圖5 剪切銷所受剪切應力曲線Fig.5 Shear stress curve of shear pin

由圖5可知：剪切銷受到的剪切應力峰值τP約為370 MPa。實驗室試驗測得剪切銷剪斷所需力如表9所列。

表9 剪切銷斷裂時保險銷所受壓力表

3 仿真方法

3.1 結構尺寸優化仿真

仿真過程中取過載系數為40 000，持續時間為100μs；保險銷、剪切銷和支座材料分別為45鋼、HPb63-3Y銅合金和7A04鋁合金。仿真研究表4所列結構尺寸參數的保險機構解除保險(剪切)過程，結果如表10所列。仿真研究表5所列結構尺寸參數的引信剪切銷保險機構解除保險(剪切)過程，結果如表11、表12和表13所列。

表10 剪切銷保險機構剪切銷在孔中間隙對剪切性能影響的仿真結果

表11 剪切銷保險機構保險銷在孔中剪切間隙對剪切性能影響的仿真結果

表12 不同倒角尺寸參數仿真結果

3.2 材料優選仿真

保險銷材料取45鋼、剪切銷材料取HPb63-3Y銅合金，支座取不同材料時仿真結果如表14所列。剪切銷材料取HPb63-3Y、支座材料取7A04鋁，保險銷取不同材料仿真結果如表15所列。保險銷材料取45鋼、支座材料取7A04鋁，剪切銷取不同材料仿真結果如表16所列。

表13 不同圓角尺寸參數仿真結果

表14 支座取不同材料仿真結果

表15 保險銷取不同材料仿真結果

表16 剪切銷取不同材料仿真結果

3.3 過載影響仿真

保險銷和支座材料分別取45鋼和7A04鋁合金，剪切銷材料取HPb63-3Y。不同過載而持續時間相同的仿真結果如圖6所示。過載相同而過載持續時間不同的仿真結果如表17所列。

3.4 仿真結果分析和討論

由表10可看出：在其他條件不變情況下，隨著間隙δ和間隙Δ的增大，軸向伸縮系數均增大，徑向伸縮系數均減小，說明剪切效果變差。由表11可看出：在δ1和δ2尺寸差別較小時，剪切銷有比較理想的剪切效果；δ1和δ2尺寸差別較大時剪切銷剪切效果明顯變差。結合表10和表11可知，各間隙越小剪切銷剪切效果越好。但間隙過小則會增加裝配難度，因此設計此類機構時應綜合取舍，在保證裝配便利的基礎上，設計的結構間隙尺寸應盡可能減小。

圖6 不同過載值下剪切銷剪切結果Fig.6 The shear pin shear result of different overload

過載持續時間/μs軸向伸縮系數徑向伸縮系數1000.9780.7945001.0050.54410001.0110.364

由表12可看出：保險銷存在倒角結構時剪切銷剪切效果變差。由表13可看出：隨著圓角尺寸增大，軸向伸縮系數沒有明顯變化而徑向伸縮系數逐漸增大，說明剪切銷剪切效果越來越好。因此相關零件在加工時，為防止存在硬棱毛刺影響保險銷在支座孔內的順暢運動，可以對零件棱邊略微倒圓而不必強調要求尖角。由表14可看出:支座選用7A04鋁合金材料時剪切效果優于其他材料且鋁合金材料密度小、經濟性好，支座要求質量要輕，因此工程上一般可選用鋁合金作為支座材料。保險銷是后坐過載響應零件，在設計中應選用密度較大、強度較高的材料，結合表15，保險銷選用45鋼材料剪切效果較好且優于HPb63-3Y銅合金。結合表16可知，20鋼發生了明顯的塑性變形但未被剪斷，因為其為非脆性材料，彈塑性較強，剪切變形困難，所以剪切銷材料不適宜選用低碳鋼。銅合金材料剪切效果優于鋁合金材料，而紫銅(T3)疲勞強度較小，易疲勞失效，勤務處理過程中可能斷裂[1]，黃銅(HPb63-3Y)材料明顯優于其它銅合金材料(如錫青銅等)，因此剪切銷應選用易切削類黃銅(如HPb63-3等)材料或性能與其接近的硬度大、脆性好的材料。由圖6可看出：過載系數k為10 000時，剪切銷發生了變形但沒有被剪斷；過載系數k為40 000時，剪切銷被剪斷。由表17可看出：過載相同的條件下，過載沖擊持續時間較短時，剪切效果較好；隨過載沖擊持續時間增長剪切效果變差。因此剛性保險機構更適用于過載持續時間較短的發射環境。

4 結論

本文提出了引信剪切銷保險機構解除保險特性仿真方法。該方法采用LS-DYNA軟件對引信剪切銷保險機構解除保險特性進行了仿真研究，得到了結構尺寸和材料、過載大小和持續時間與剪切銷剪斷后軸向伸縮系數、徑向伸縮系數的關系。仿真結果表明，在便于裝配前提下剪切銷與保險銷和基座間的間隙越小越好；保險銷與基座間兩側間隙應較為接近或保持一致；在支座和保險銷剪切銷孔口棱角處可制圓角去毛刺但不可倒角，也不必強調尖角；7A04鋁合金材料作為支座材料優于45鋼和HPb63-3銅合金；HPb63-3銅合金作為剪切銷材料優于7A04鋁合金和45鋼；45鋼作為保險銷材料優于7A04鋁合金和HPb63-3銅合金；剪切銷保險機構適用于過載持續時間較短的發射環境。可為剪切銷保險機構的優化設計提供參考。

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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

楊宏亮(1990-)，男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向：引信系統分析與設計。Email：15952043154@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)05-0031-06