子弹引信结构优化设计的数值模拟分析

探测与控制学报

Journa l of D etecti on &Con trol

Vol 128No 16Dec 12006

　3收稿日期:2006-08-17

作者简介:李　丹(1977-),女,辽宁兴城人,硕士,工程师,主要研究方向:战斗部仿真。

子弹引信结构优化设计的数值模拟分析

李　丹,史文卿,郭立力

(中国运载火箭研究院第十四研究所,北京　100076)

摘　要:利用ANSYS/LS -DY NA 动力学有限元软件对半穿甲弹引信的动态环境进行了数值模拟,并根据计算结

果,对两种不同的引信结构强度进行了分析对比,计算结果与试验现象很吻合,为引信结构的优化设计提供了较好的理论基础。

关键词:引信;结构强度;数值仿真

中图分类号:TJ430.3　O 347.3　V421.21　文献标识码:A 　　文章编号:100821194(2006)0620040204

The Num er i ca l S i m ul a ti on Ana lysis of the O pti m u m D esi gn

of Sub m un iti on Fuze Structure

L IDan,SH IW en -qing,G UO L i -li

(China Acade my of Launch Vehicle Technol ogy 14th I nstitute,Beijing 100076,China )

Abstract:The dyna m ic envir on ment of the se m i -ar mour -p iercing submuniti on fuze is si m ulated by the AN -SYS/LS -DY NA.According t o the si m ulati on results,structure intensity f or t w o kinds of fuzes is an 2alysed and contrasted .Calculati on results accord with the test phenomena .W hich indicats that the nu meri 2cal si m ulati on can p r ovide better theory base for the op ti m um design of sub muniti on fuze stucture .Key words:fuze;structure intensity;numerical si m ulati on

0　引言

半穿甲子弹与靶板的模型如图1所示,子弹穿甲过程中,引信的动态环境是非常复杂的,很难通过高速录像及其它方法测试其动态变化过程,而通过数值模拟可以从理论上详细分析此过程并供引信设计参考。本文利用有限元程序ANSYS/LS -DY NA 对引信的动态环境进行了数值模拟,对引信的结构

优化设计具有指导意义[1]

。

1　数值计算模型

计算模型如图2所示,在弹体穿甲过程中,引信

内部的惯性体解除约束后作前冲运动,撞击引信体

,图1　子弹靶板模型图

要求惯性体在撞击瞬间迅速停止,且不破坏引信体。鉴于问题的对称性,计算选取1/2模型,几何模型基本按照实际尺寸建立,其中惯性体内部的结构简化成一质量块,通过调整密度使其质量与设计给定的

质量一致;对于引信体,由于只关心它与惯性体相接

触及附近的薄弱部位的强度,所以对引信体进行了较大的简化

。

(a )原引信　　　　　(b )改进后

图2　引信结构模型图

2　惯性体和引信体相对速度的理论分析

对引信进行数值模拟,首先需要知道惯性体和引信体的相对速度,目前该值不能通过试验获得,只能

从理论上进行分析。为了更清楚地分析问题,将子弹与引信简化如图3结构。惯性体、引信体和子弹分别用m 1、m 2和m 3来代表。初始时刻m 1和m 2之间的距离L =22mm ,m 1、m 2和m 3以相同的初速V 0沿子弹轴向或与子弹轴向成微小角度(即小攻角)的方向运动侵彻靶板,m 2和m 3在整个子弹侵彻过程中没有相对位移,速度衰减曲线一致,如图4所示。而m 1在过载作用下解除约束后会与m 2

发生碰撞。

图3　

子弹与引信结构图　　

图4　子弹侵彻过程速度-时间曲线

假定t 1时刻m 1在过载作用下解除约束,m 1将

以t 1时刻的速度V t 1匀速运动,而m 2和m 3的速度随着时间不断减小,于是m 1与m 2之间产生了相对速度,经过一段时间发生碰撞,设碰撞时为t 2时刻,则在t 1-t 2的时间内,m 1的位移减去m 2的位移等于初始时刻m 1和m 2之间的相对距离L,即图4中阴影部分的面积,式(1)中V 12为m 1和m 2之间随时间变化

的相对速度。

(说明:m 1的位移是图4中横坐标t 1-t 2之间,纵坐标0-V t 1之间的矩形面积;m 2的位移是图4中横坐标t 1-t 2之间,纵坐标0-V 曲线之间的

图形面积;所以L 的面积就是阴影部分的面积。

)L =

∫

t 2

t 1V 12

d t

(1)

子弹在侵彻过程中,减速度是不断变化的,由于

m 1从解除约束到与m 2相碰撞的时间相对于整个侵

彻过程是很短的,可以近似认为此时间段内m 2的速度变化曲线为一直线段即做匀减速运动,则图4中

阴影部分的面积L =1

2

(V t 1-V t 2)(t 2-t 1),又t 2-t 1=(V t 1-V t 2)/a 。由此可以求出m 1与m 2相撞时刻的相对速度ΔV:

ΔV =(V t 1-V t 2)=2L ・a (2)

由上式可以看出,减速度a 值越大,ΔV 就越大,取侵彻过程中的最大减速度分析引信强度是保守的。为确定最大减速度a ,首先分析子弹侵彻靶板过程中子弹速度与时间的变化规律。子弹侵彻靶板的数值计算已经作过很多,计算的子弹穿靶时间和剩余速度与高速录像测得的情况基本一致,计算结果与试验结果比较吻合。下面根据一些有代表性的子弹侵彻过程的速度变化曲线来确定最大减速度值。

a .靶板为603装甲钢,厚度为80mm,子弹着速为540m /s,着角为10°,攻角为1.5°,子弹速度与时间的变化曲线如图5,利用曲线中斜率较大的一段获得子弹侵彻过程中最大减速度的近似值,最大减速度

a max =6.90×105m /s 2

,代入式(2),得ΔV =

174m /s 。

图

5　子弹侵彻过程速度-时间曲线

图

6　子弹侵彻过程速度-时间曲线图7　子弹侵彻过程速度-时间曲线

1

4李　丹等:子弹引信结构优化设计的数值模拟分析

　　b .靶板为603装甲钢,厚度为80mm ,子弹着速为0m /s,着角为10°,攻角为1.5°,子弹速度与时

间的变化曲线如图6,最大减速度a max =7.6×10

5

m /s 2

,代入式(2),得ΔV =183m /s 。

c .靶板为603装甲钢,厚度为60mm ,子弹着速

为740m /s,着角为0°,攻角为0°,子弹速度与时间的变化曲线如图7,最大减速度a max =8.0×10

5

m /s 2,代入式(2),得ΔV =188m /s [2～5]。

3　计算条件

3.1　初始条件

经过前面分析,求出了惯性体和引信体之间的相对速度约为180m /s,为保守起见,现取ΔV =200

m /s 进行引信结构强度的计算,即设置引信体不动,

惯性体的初速为200m /s 。3.2　边界条件

对两种情况均施加相同的边界条件:

a .在对称面上施加对称边界条件,即约束对称面内的节点只能在面内有位移,而不能沿着对称面的法线移动;

b .将引信体的侧面固定,约束其所有的自由度;

c .将引信体侧面定义成无反射边界,消除边界效应。3.3　材料模型引信体采用的是35Cr M nSi A ,惯性体是45#钢,均可以采用LS_DY NA 中的塑性随动硬化(3MAT_P LAS 2TI C_KI N E M I C )材料模型。材料参数如表1,表2所示。

表1　45#钢材料参数

卡片

材料号密度(g/c m 3)杨氏模量E (GPa )

泊松比

屈服强度(MPa )

硬化模量E t (GPa )

各向同性硬化

11

7.80

200

0.3

600

3

1.0

失效应变2

0.3

表2　35Cr

M nSi A 材料参数

卡片

材料号

密度(g/c m 3)杨氏模量E (GPa )

泊松比

屈服强度(MPa )

硬化模量E t (GPa )

各向同性硬化

12

7.85

210

0.3

1000

3

1.0

失效应变

2

0.3

4　计算结果分析

计算采用的基本单位是c m 、g 、

μs,其它单位由该基本单位导出,与国际单位制的对应关系见表3。表3　计算中的单位与国际单位制的对应关系

位移

(c m )速度

(cm /μs )加速度

(cm /μs 2

)应力

(g/(c m ・μs 2

))

10

-2

m

104

m /s

1010

m /s

21011

Pa

4.1　原结构的计算结果

设引信体静止,惯性体以200m /s 的速度撞击它,引信体受到的最大剪应力如图8所示,可以清晰地看到引信体根部所受的剪应力是最大的,约为1100MPa 。在剪应力的作用下,引信体被切断见图9,断裂部位及现象同试验情况比较吻合。

图8　引信体所受的最大剪应力图

图9　引信体结构破坏图

24探测与控制学报

4.2　改进结构的计算结果

设引信体静止,惯性体以200m /s 的速度撞击

它,引信体受到的最大剪应力如图10所示

。

图10　引信体所受的最大剪应力图

由图10可以看到引信体所受的最大剪应力约为800MPa 左右,比原结构的最大剪应力要小,而且

原结构所受的最大剪应力主要集中在固定端的根部,改进后最大剪应力分布在加强处的斜面上。由于改进结构加固了悬臂梁固定端处的强度,所以改进后的引信体强度有所增加,引信体未受到破坏,如图11

。

图11　惯性体速度为0时两者变形图

图12为惯性体的速度与时间的变化曲线,大约

在150μs 时,速度已经降为0

。

图12　惯性体速度-时间变化曲线

5　结论

利用ANSYS/LS -DY NA 有限元分析软件对子弹引信的动态环境进行了数值模拟,并根据计算结果,对两种不同的引信结构强度进行了分析对比,计算结果与试验现象吻合的较好。通过计算,主要得到下面一些结论:

(1)根据子弹穿甲过程的速度变化曲线,可获得侵彻过程中的最大减速度,根据此值通过理论分析可以计算出引信中惯性体与引信体的相对速度,用此相对速度可以进一步分析引信结构强度问题;

(2)根据公式(2)分析,减小L 值,可以减小相对速度,有利于保护结构;

(3)根据计算结果,改进的引信结构强度有所增加,明显好于原结构。参考文献:

[1]牛兰杰,张建,赵旭.基于有限元法的ME MS 后坐保险机

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-18.

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[3]LST C .LS -DY NA U ser M anual [M ]1US A:L iver more

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[4]LSTC .LS -DY NA THE ORYM anual[M ]1US A:L iver more

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[5]ANSYS .ANSYS/LS -DY NA 算法基础及使用方法[M ]1

北京:ANSYS 公司中国北京办事处,1999.

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