引信觸發(fā)開關(guān)動態(tài)特性優(yōu)化方法

張冬梅，李世中

(中北大學機電工程學院,山西 太原 030051)

0 引言

機電引信在對靶射擊試驗時出現(xiàn)了瞎火率偏高的故障，分析其原因，可能是引信頭部觸發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)形態(tài)的問題。目前難以通過理論分析直接找出引信瞎火的原因[1-4]。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，運用數(shù)值仿真的方法精確研究彈引系統(tǒng)侵徹目標問題，特別是侵徹過程中引信的動態(tài)特性問題逐漸成為現(xiàn)實。文獻[5-8]對彈丸侵徹目標的過程進行了有限元仿真分析，獲得了侵徹過程中彈丸的加速度、速度、行程等變化曲線，并詳細闡述了彈丸所承受的過載規(guī)律。文獻[9-12]通過有限元仿真對不同彈頭形狀的彈丸侵徹混凝土目標的過程進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈頭形狀對彈丸侵徹過載有一定的影響。

然而上述文獻研究的都是實心彈丸侵徹靶板的情形，建模時都未考慮引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)在侵徹過程中的動態(tài)特性。本文針對此問題，提出了引信觸發(fā)開關(guān)動態(tài)特性優(yōu)化方法。

1 碰合開關(guān)及其建模與仿真

1.1 碰合開關(guān)

觸發(fā)開關(guān)又稱發(fā)火開關(guān)或碰擊開關(guān)，它是利用載體碰擊目標時的反作用力閉合來接通引信電路，從而使起爆元件發(fā)火。

常用的觸發(fā)開關(guān)有碰合開關(guān)、慣性開關(guān)和振動開關(guān)。觸發(fā)開關(guān)通常應滿足下列要求：

1)具有一定的機械強度。在發(fā)射過程中和彈道上受干擾力作用時不得閉合，以保證發(fā)射時和彈道上的安全性；

2)碰擊目標時能迅速閉合；

3)具有一定的靈敏度，在大著角碰擊目標、小落角著地、擦地等情況下應能可靠閉合；

4)接觸電阻和分布電容要小。常用鋼材制作接點，有時還要鍍銀來降低接觸電阻；開關(guān)的兩個電極保持一定的距離以減小分布電容。

根據(jù)引信戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標要求和配用武器系統(tǒng)的使用要求，碰合開關(guān)可設計成各種形狀，如銷狀、管狀、片狀和絲狀等。

某單兵火箭彈引信系統(tǒng)配用的碰合開關(guān)見圖1所示。該碰合開關(guān)裝在彈頭部，其與系統(tǒng)主控電路用電纜連接。其內(nèi)電極裝在外電極內(nèi)部，構(gòu)成作用元件，并通過螺紋固定在彈體上。為保證內(nèi)電極和外電極的同心性和絕緣要求，在內(nèi)電極中部安裝有絕緣體，外電極通過外部保護罩進行保護。當彈體碰擊目標時，碰合開關(guān)的內(nèi)電極和外電極接觸，即開關(guān)閉合，此時電引信供電電路接通，起爆元件發(fā)火。

圖1 碰合開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of trigger switch

1.2 建模與仿真

為了研究開關(guān)的動態(tài)特性，采用有限元仿真的方法對安裝有碰合開關(guān)的彈丸侵徹目標的過程進行研究。

1.2.1數(shù)值仿真思路

首先，用TrueGrid軟件建好整個系統(tǒng)的三維有限元模型，彈頭三維有限元模型半剖后如圖2所示，然后在ANSYS軟件中添加材料及參數(shù)，施加載荷及邊界條件，最后輸出在DYNA中導入修改好的K文件進行計算。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

擬定該碰合開關(guān)在彈丸以200 m/s 垂直侵徹25 mm松木板目標時必須閉合(上限)，在彈丸以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板目標時不閉合(下限)。

1.2.2數(shù)值仿真建模

彈丸簡化為彈體、藥柱、引信3 個模塊；引信又簡化為風帽、外電極、內(nèi)電極、填充體和壓螺5個模塊。外電極和內(nèi)電極組成了頭部觸發(fā)開關(guān)，兩者接觸后，開關(guān)閉合，發(fā)火電路導通。靶板材料分別為3 mm膠合板和25 mm松木板。彈丸侵徹目標的三維有限元模型如圖3所示。

圖3 彈丸侵徹靶板有限元模型Fig.3 Finite element model of projectile penetrating target

為了簡化有限元模型，提高計算效率，作如下假設：

1)各零部件間均通過共節(jié)點法固連；

2)彈引系統(tǒng)的有限元模型與真實系統(tǒng)質(zhì)量保持一致；

3)整個碰撞過程不考慮熱效應；

4)不考慮空氣阻力；

5)不考慮自身重力的影響；

6)彈丸和靶板撞擊前的應力為0。

1.2.3材料模型與參數(shù)

各零部件所用材料的應力應變關(guān)系差別不大，屬于應變率相關(guān)性較小的材料，因此均采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

1.2.4仿真結(jié)果分析

仿真得到的火箭彈以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板目標和以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板目標的過程如圖4和圖5所示。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)未閉合，即符合設計的下限要求，但在以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板的情況下不能閉合開關(guān)(內(nèi)外電極保持接觸狀態(tài))，因此該結(jié)構(gòu)不能夠滿足設計的上限要求。

圖4 250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板過程Fig.4 Process of penetration into 3 mm plywood

圖5 200 m/s垂直侵徹25 mm松木板過程Fig.5 Process of penetration into 25 mm pine board

以上情況考慮的均為彈丸垂直侵徹靶板的情況，為了驗證實際著角對該碰合開關(guān)的影響，分別對彈丸以30°、45°、60°、80°著角侵徹25 mm松木靶的過程進行了仿真，仿真的有限元模型如圖6所示，不同著角對應的開關(guān)閉合時間如圖7所示。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當彈丸以適當著角侵入靶板的時候開關(guān)可以閉合，開關(guān)閉合時間大于140 μs，但當彈丸以接近0°和90°的著角侵入靶板的時候開關(guān)不能閉合。因此該結(jié)構(gòu)不能夠滿足設計的上限要求，需要進行優(yōu)化設計。

圖6 不同角度侵徹松木靶Fig.6 Penetration into pine board at different angles

圖7 不同角度情況下開關(guān)閉合時間Fig.7 Switch closing time at different angles

2 開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

由以上仿真結(jié)果可知，安裝圖1所示的碰合開關(guān)的機電引信不能滿足設計要求，需要對其結(jié)構(gòu)進行改進。下面在不改變引信整體尺寸的前提下，分別通過調(diào)整電極厚度、形狀及內(nèi)部填充三種方法對開關(guān)進行優(yōu)化設計。

2.1 電極厚度對開關(guān)的影響

內(nèi)電極尺寸不變，將外電極厚度從0.6 mm分別調(diào)整為0.5、0.4、0.3 mm進行仿真，從彈體接觸目標到開關(guān)閉合經(jīng)歷的時間如表2所示。

表2 不同厚度電極的開關(guān)閉合時間Tab.2 Closing time of electrodes with different thickness

由表2可以看出外電極的厚度對開關(guān)閉合時間影響較大，當電極厚度為0.6 mm和0.5 mm時彈體以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板開關(guān)不能閉合。當外電極厚度為0.4 mm時，開關(guān)能夠閉合，從彈體接觸目標到開關(guān)閉合大約需要123 μs，即開關(guān)閉合速度較慢；當外電極厚度為0.3 mm時，開關(guān)閉合需要81 μs。該結(jié)果充分證實了外電極厚度越小開關(guān)閉合時間越短，因此可以通過調(diào)節(jié)電極的厚度來改變引信的瞬發(fā)度。

2.2 電極形狀對開關(guān)的影響

除了電極厚度，電極的形狀也是影響開關(guān)性能的一個重要因素。在不改變引信外形尺寸的前提下將引信形狀改為如圖8所示結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的彈引系統(tǒng)以200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶的過程中外電極變形過程如圖9所示。將其與原結(jié)構(gòu)侵徹過程對比可知，開關(guān)閉合的時間由81 μs減少到了36 μs，內(nèi)外電極接觸位置處外電極的變形量是2.2 mm,大于內(nèi)外電極的距離2 mm。由此可見，錐頭形狀的電極更容易變形，它比圓頭形狀的電極瞬發(fā)度更高，因此可以通過改變電極的形狀來調(diào)整開關(guān)的性能。

圖8 錐形頭部碰合開關(guān)Fig.8 Conical trigger switch

圖9 200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶外電極變形Fig.9 Deformation of outer electrode

2.3 內(nèi)部填充對開關(guān)的影響

保持內(nèi)外電極的形狀和尺寸不變，將電極內(nèi)部由實心變?yōu)榭招模摻Y(jié)構(gòu)的彈體系統(tǒng)以200 m/s垂直侵徹25 mm松木靶的過程如圖10所示。將其與實心結(jié)構(gòu)對比可知，電極內(nèi)部空心設置的情況下開關(guān)能夠閉合，即空心電極具有更好的瞬發(fā)度。

圖10 200 m/s垂直侵徹松木靶過程Fig.10 Process of penetration into pine board

3 實驗驗證

加工的開關(guān)樣品如圖11所示，其電極材料為紫銅，該系統(tǒng)通過螺紋固定到彈體上。

圖11 開關(guān)樣品圖Fig.11 Switch sample

侵徹實驗過程在口徑為152 mm的一級輕氣炮上進行。實驗中使用型號為FASTCAMSA5的高速攝像機，其幀率為10 000 f/s。高速攝像機拍攝撞擊侵徹過程，并根據(jù)圖像資料計算出彈體的初始撞擊速度，整個實驗設置方案如圖12所示。

圖12 實驗整體方案Fig.12 Overall test scheme

設計的碰合開關(guān)及其幾種改進結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)和實驗結(jié)果如表3所示。由表3可知，原始結(jié)構(gòu)的碰合開關(guān)及其改進結(jié)構(gòu)在侵徹3 mm膠合板的時候均未閉合，因此它們都符合在以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)不連通的要求。在侵徹25 mm松木靶的三次實驗中，原始結(jié)構(gòu)和3#改進結(jié)構(gòu)不能保證開關(guān)閉合，即使對于閉合情況，開關(guān)閉合時間也較長。1#和2#改進結(jié)構(gòu)的開關(guān)閉合時間較短，并且在3次試驗中均成功閉合。

表3 實驗參數(shù)及結(jié)果Tab.3 Test parameters and results

因此，經(jīng)過優(yōu)化改進的1#和2#開關(guān)具有更好的瞬發(fā)度和可靠性。

4 結(jié)論

本文提出了引信觸發(fā)開關(guān)動態(tài)特性優(yōu)化方法。該方法分別通過ANSYS/LS-DYNA有限元仿真和實驗驗證兩種手段對安裝機電引信的彈丸侵徹木質(zhì)靶板過程進行研究，得到了不同結(jié)構(gòu)形態(tài)觸發(fā)開關(guān)著靶過程中的動態(tài)特性。仿真和實驗結(jié)果表明，通過適當?shù)剡x取電極的形狀和尺寸，該開關(guān)可以滿足以200 m/s垂直侵徹25 mm松木板的情況下開關(guān)連通，以250 m/s垂直侵徹3 mm膠合板的情況下開關(guān)不連通的設計要求。同時發(fā)現(xiàn)調(diào)整電極厚度、形狀及內(nèi)部填充三種因素對開關(guān)性能影響很大，具體結(jié)論如下：

1)外電極厚度越小開關(guān)閉合時間越短，因此可以通過調(diào)節(jié)電極的厚度來改變引信的瞬發(fā)度；

2)錐頭形狀的電極比圓頭形狀的電極瞬發(fā)度更高；

3)電極內(nèi)部進行填充比空心情況下開關(guān)會更快閉合，即實心電極具有更好的瞬發(fā)度。