引信磁后坐發電機保險片后坐保險機構保險和解除保險特性

肖 劍,王雨時,聞 泉,張 濱,陳政偉

(1. 南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094；2.江西新明機械有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

磁后坐發電機是一種典型的引信物理電源，主要由磁芯(永磁鐵)、電樞(線圈)、保險片和磁芯托組成，其作用機理是保險狀態下由保險片托住磁芯，使其不能運動，從而保證被保險；在發射后坐力的作用下，保險片被磁芯剪斷從而釋放磁芯，磁芯在后坐力作用下，相對電樞作軸向直線運動，從而產生感應電動勢，為引信提供能量輸入，并最終進入磁芯托盲孔中。保險片在引信中的保險和解除保險(剪切)性能與沖擊過載、沖擊過載持續時間、保險片材料、磁芯托口部直徑以及磁芯端面形態等因素有關。文獻[1]研究了磁后坐發電機能量與尺寸的關系。文獻[2]開展了磁后坐發電機磁場的有限元分析。文獻[3—4]主要研究了影響剪切銷保險機構剪切性能的因素。

在引信磁后坐發電機保險片后坐保險機構設計過程中，主要是通過多次試驗逼近的方法確定機構的結構尺寸，周期長、消耗大、難以優化，安全性和可靠性均不易提高。針對此后坐保險機構在跌落沖擊下的安全性和在發射沖擊下的解除保險可靠性問題，本文以30 mm口徑火炮引信用磁后坐發電機保險片后坐保險機構為研究對象，運用商業軟件LS-DYNA仿真磁后坐發電機保險片后坐保險機構對跌落和發射沖擊的響應過程，分析保險片材料、磁芯與磁芯托間隙不同情況下遭受兩種沖擊時的變形時刻或剪斷時刻，為磁后坐發電機保險片后坐保險機構設計提供參考。

1 磁后坐發電機保險片后坐保險機構簡化模型

所設計保險片是面對稱結構(如圖1所示)，故簡化為1/2仿真模型(如圖2所示)。運用LS-DYNA商業軟件仿真跌落沖擊和發射沖擊作用下磁后坐發電機磁芯對保險片的剪切過程。仿真以cm·g·μs為基本單位，采用SOILD164實體單元映射劃分網格，對磁芯托的底部和電樞的頂部施加固定約束，并對模型對稱面施加對稱約束。

圖1 磁后坐發電機保險片后坐保險機構示意圖Fig.1 The schematic of magnetic setback motor safety device

圖2 磁后坐發電機保險片后坐保險機構1/2仿真模型Fig.2 The half simulation model of magnetic setback motor safety device

2 仿真模型與材料仿真參數

2.1 材料模型

磁芯材料是永磁材料[1]。在仿真過程忽略電磁效應的影響，將磁芯和電樞材料分別采用45鋼和7A04鋁合金代替，兩者材料模型均采用“MAT_JOHNSON_COOK”。磁芯托材料是7075鋁合金，保險片是1060鋁，兩者材料模型均采用“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真參數如表1—表4所列。

表1 45鋼JONSON_COOK材料模型主要參數[5-7]

表2 7A04鋁合金JONSON_COOK材料模型主要參數[8]

表3 7075鋁合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數[9]

表4 1060鋁PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數[9]

2.2 結構仿真參數

在磁芯、電樞和保險片材料及尺寸均不改變、磁芯托材料也保持不變的條件下，研究磁芯托內徑D對保險片保險和解除保險性能的影響，擬仿真研究的磁芯托內徑結構參數如表5所列。磁后坐發電機保險機構實物圖如圖3所示。

圖3 磁后坐發電機保險機構實物圖Fig.3 The physical map of magnetic setback motor safety device

2.3 保險片材料仿真參數

在磁芯、電樞和磁芯托材料不變的情況下，改變保險片材料，材料不同其力學性能不同，保險片剪切性能會有差異。因此對保險片采用不同材料進行仿真分析，選取保險片材料為紫銅、20鋼、黃銅(HPb63-3Y)、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)，材料參數如表6所列。

表5 擬仿真研究的磁芯托內徑結構參數

表6 保險片材料主要參數[10-12]

2.4 過載仿真參數

為保證磁后坐發電機保險片保險機構在跌落沖擊下的安全性以及在發射沖擊下的解除保險可靠性，采用半周期正弦規律簡化曲線和Vallier公式曲線[13]分別模擬跌落沖擊過載曲線和發射沖擊過載曲線，并按文獻[14]給出的經驗公式估算出該小口徑火炮引信發射過載作用時間，所得跌落和發射沖擊過載曲線分別如圖4和圖5所示。其中過載系數系根據理論計算和經驗確定，如表7所列。

圖4 跌落沖擊過載曲線Fig. 4 The drop overload coefficient curve

圖5 發射沖擊過載曲線Fig. 5 The launch overload coefficient curve

過載類型過載系數作用時間/s跌落過載15 000200發射過載50 0004 500

2.5 仿真驗證

按照GJB573A-1998《引信環境與性能試驗方法》要求，對磁后坐發電機機構配彈進行1.5 m落高的跌落試驗，其中保險片所用材料為1060鋁，結構參數所用數據為表6第六組參數。保險片跌落試驗后的狀態如圖6所示，中間凹陷0.84 mm。仿真所得結果如圖7所示，中間凹陷0.866 mm。相對誤差為3.09%，說明仿真方法與結果是可信的。

圖6 跌落試驗結果Fig.6 The results of drop test

圖7 跌落仿真結果Fig.7 The results of drop simulation

3 仿真結果

3.1 跌落環境仿真結果和分析

在跌落后坐過載下，不同材料在不同磁芯托內徑下保險片剪切破壞時間仿真結果如表8所列，用Matlab擬合不同材料在不同磁芯托內徑的凹陷程度曲線，其中純鋁1060在磁芯托內徑6.5 mm下解除保險，故未在曲線中擬合此點凹陷程度，如圖8所示。

表8 跌落環境下保險片剪切破壞時間仿真結果

注：表中數字表示保險片剪斷時刻(μs)；“+∞”代表保險片未被剪切，即磁后坐發電機保險機構未解除保險。

圖8 保險片凹陷程度擬合曲線Fig.8 The fitting curve of safe feature pitting degree

由圖8可以看出：跌落過載下，相同材料在不同的磁芯托內徑下凹陷程度不同，隨著直徑增大，凹陷程度逐漸增大。相同直徑下， 不同材料凹陷程度不同，按純鋁1060、紫銅、20鋼、HPb63-3Y、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)順序凹陷程度依次減小。其中紫銅、20鋼、黃銅(HPb63-3Y)、黃銅(H68)和錫青銅(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托內徑下均滿足跌落環境下的安全性，但純鋁1060在磁芯托內徑6.5 mm下會解除保險，解除保險時刻為171 μs。

3.2 發射環境仿真結果

在發射后坐過載下，不同材料在不同磁芯托直徑下保險片剪斷時刻、發電機磁芯落底時間(磁芯位移5.0 mm的時間)仿真結果如表9所列。磁芯托內徑為6.0 mm的保險片剪斷過程如圖9所示。

表9 發射環境下保險片剪切破壞時間仿真結果

注：表中數字表示保險片剪斷時刻/發電機磁芯落底時間(μs)；“+∞”代表保險片未被剪切，即磁后坐發電機保險機構未解除保險。

圖9 保險片剪斷過程Fig.9 The shear process of safe feature

由表9可以看出：發射沖擊下，相同材料在不同的磁芯托內徑下保險片剪斷時刻和發電機磁芯落底時間刻不同，隨著直徑增大，保險片剪斷時刻和發電機磁芯落底時間均逐漸減小。相同直徑下，不同材料剪斷時刻和發電機磁芯落底時間不同，按純鋁1060、紫銅、20鋼、HPb63-3Y、H68和錫青銅(QSn6.5-0.4)順序剪斷時刻和發電機磁芯落底時間依次增大。其中紫銅和20鋼在以上磁芯托內徑下均滿足發射環境下的解除保險可靠性，黃銅(HPb63-3Y)和黃銅(H68)在直徑5.0 mm和5.5 mm下不能被剪斷，錫青銅(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托內徑下均不能被剪斷。

由圖9可以看出：發射沖擊下，保險片經過拉脫變形后被剪斷。

由純鋁1060保險片、直徑4.5 mm磁芯和直徑5.5 mm的磁芯托孔構成的磁后坐發電機保險片后坐保險機構，在30 mm口徑火炮上經數百發射擊實驗，均能可靠解除保險，并且同時滿足1.5 m跌落安全性要求。

4 結論

本文以30 mm口徑火炮引信用磁后坐發電機保險片后坐保險機構為研究對象，應用LS-DYNA商業軟件仿真磁后坐發電機保險片后坐保險機構在跌落和發射沖擊作用下的響應過程，得到了保險片材料、磁芯與磁芯托間隙不同情況下遭受兩種沖擊時的變形時刻或剪斷時刻， 即引信磁后坐發電機保險片后坐保險機構的保險特性和解除保險特性。仿真結果表明：在磁芯托直徑較大(較小)情況下，磁后坐發電機保險片后坐保險機構在發射環境中發電機磁芯落底時間短(長)，在跌落環境下凹陷程度大(小)。該結果可為引信磁后坐發電機保險片后坐保險機構設計提供參考，并且可縮短引信磁后坐發電機保險片后坐保險機構的設計周期和試驗周期。該結果也可應用于類似引信保險片后坐保險機構的工程設計。