弹头触发引信防雨试验水柱靶仿真

刘　鹏,王雨时,闻　泉,张志彪

(南京理工大学 机械工程学院,南京 210094)



弹头触发引信防雨试验水柱靶仿真

刘鹏,王雨时,闻泉,张志彪

(南京理工大学 机械工程学院,南京 210094)

为了研究弹头触发引信防雨试验中采用的人工水柱靶与自然雨滴的等效性,通过数值仿真软件,应用光滑粒子流体动力学方法和有限元法耦合方法,仿真了不同触发区直径的弹头触发引信内凹和外凸触发机构分别撞击雨滴及其质量等效水柱靶的过程,得到了撞击过程中触发区内触杆剪切凸台最大剪切应力的峰值、持续时间和波形。仿真结果表明,按质量等效原则确定的人工水柱靶能够较准确地模拟自然雨滴撞击引信触发区过程,可用于弹头触发引信防雨性能试验考核。

弹头引信;雨滴;人工雨场;碰撞;数值仿真

为了确保全天候作战效能,引信研制时需考核防雨性能[1-6],这对高速飞行的弹头触发引信尤其重要。靶场防雨试验方法基本上有3种:①自然雨场中射击;②人工雨场中射击;③对自然雨场等效物射击。因自然雨场受气候影响很大,时机难以掌控,再现性也较差,故用自然雨场进行引信防雨性能试验可行性较小。用等效靶板试验引信防雨性能[7],涉及引信触发机构的结构原理,等效准确性难以提高。与自然雨场相比,人工雨场可以控制和再现。美军人工雨场是在靶道上设置多个喷头,用喷头中喷出的水滴来模拟自然雨场,调节喷头的喷孔直径大小、密度和水压来控制雨强和雨滴密度[8]。但是这种人工雨场占地较大(靶道长约300～900m),并且必须选择在充裕水源附近,因此未见得到普遍应用。文献[7]中使用的人工雨场采用水帘靶和水柱靶2种等效方式,按质量等效原则来代替自然雨滴进行试验。水帘靶等效虽简单,但水帘下落速度低,受风速影响较大使水帘厚度不稳定;而水柱靶等效时,引信头部触发区撞击受力状况和过程与自然雨滴的更为接近。本文在文献[9]的基础上借助有限元仿真软件,应用光滑粒子流体动力学方法和有限元法耦合方法,仿真弹头触发引信触发区所受雨滴及其质量等效水柱的撞击过程,从而评估和论证水柱靶对自然雨滴的等效情况。

1　水柱和水滴的质量等效关系

水柱靶通过喷孔由重力形成。喷孔暨水柱为多排交错布局。假设引信头部触发区与水柱的碰撞过程中总有一次完全对中碰撞或近似对中碰撞。忽略有可能出现的多次偏心碰撞,只考虑对中或近似对中碰撞,如图1所示。等效雨滴质量的水柱直径与引信头部触发区直径有关。因雨滴的密度基本恒定,故只要保证雨滴和其质量等效水柱在引信头部触发区内的水的体积相同即可。典型大暴雨直径为5～6mm。取雨滴直径为5.6mm。触发区截取雨滴和水柱体积的数学模型如图2和图3所示,图中,ra为触发区半径,rc为雨滴半径,rb为等效水柱半径。

图1　引信撞击水柱和雨滴

(1)

式中:r为柱坐标系中的圆柱面半径。

图2　引信触发区撞击雨滴时的截取区数学模型

图3　引信触发区撞击水柱时的截取区八分之一数学模型

(2)

假定触发区雨水质量为m,按质量等效原则,令V1=V2,即可求得等效水柱的直径2rb。式(2)中的表达式不可积,只能求数值解。利用Matlab软件求解引信触发区直径不同时与直径5.6mm雨滴质量等效的水柱直径,结果如表1所示。

表1　质量等效直径5.6 mm雨滴的模拟水柱直径

2　仿真模型

采用文献[9]中仿真假设、模型、方法和参数建模,引信防雨研究所用的头部简化结构如图4所示。雨滴与水柱2种有限元仿真模型如图5所示。引信体和触杆材料取45#钢。

图4　头部简化结构

3　仿真结果与分析

对雨滴和相应的质量等效水柱在各种撞击速度下进行仿真分析,通过比较触杆剪切凸台的剪切应力来分析雨滴和水柱对引信的撞击作用。图6给出了触杆直径2ra=6mm的外凸结构以300m/s的撞击速度撞击水柱靶的仿真效果。图7给出了触杆直径2ra=6mm的外凸结构以不同速度撞击目标时触杆受到的剪切应力τ与时间t的关系曲线。触杆直径2ra=4mm,8mm,10mm的外凸结构以各种速度撞击目标时触杆剪切凸台受到的最大剪切应力曲线与图7相似,即撞击雨滴与撞击水柱应力曲线相近。对内凹结构的仿真也得出了此结论。仿真结果如表2至表5所示,表中,v为撞击速度,τmax为最大剪切应力,δ为相对误差。

图6　触杆直径2ra=6 mm的外凸结构撞击水柱过程(v=300 m/s)

图7　触杆直径2ra=6 mm的外凸结构圆台处剪切应力变化

v/(m·s-1)外凸结构τmax/MPa水滴质量等效水柱δ/%内凹结构τmax/MPa水滴质量等效水柱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　触杆直径2ra=6 mm时仿真结果

表4　触杆直径2ra=8 mm时仿真结果

表5　触杆直径2ra=10 mm时仿真结果

表6　不同速度对应的相对误差绝对值的平均值

表7　不同触杆直径对应的相对误差绝对值的平均值

从表2～表5可看出,引信内凹触发结构撞击雨滴和质量等效水柱时,触杆剪切凸台处受到的最大剪切应力大于外凸触发结构时受到的最大剪切应力。当引信撞击雨滴和质量等效水柱速度较小时,无论是内凹触发结构还是外凸触发结构,撞击雨滴和质量等效水柱所产生的最大剪切应力之间差异稍大,这可能是因为水滴和水柱试验本身的边界条件存在差异,当速度较小时,边界条件影响较大使得飞溅过程不同。结合表6可看出,撞击速度越大触杆剪切凸台处受到的最大剪切应力相对误差越小。由表7可知,当触发区直径与雨滴直径相差较小时,质量等效水柱模拟雨滴碰撞过程更为一致。

4　结束语

本文采用光滑粒子流体动力学方法和有限元法耦合方法对弹头引信触发机构撞击雨滴及质量等效水柱过程进行有限元仿真分析,仿真结果表明,应用水柱靶以质量等效原则等效自然雨滴能够较好地模拟雨滴对弹头引信的碰撞过程,且撞击所产生的作用力变化规律、峰值和持续时间基本相同,最大作用力差异在25%以内。考虑到速度较小的弹丸,引信雨滴撞击破坏作用较弱,故防雨意义不大;当水柱靶用于速度较大(800m/s以上)弹丸引信防雨试验等效时,相对误差在7.5%以内,因此按质量等效原则使用水柱靶模拟自然雨滴进行触发引信防雨性能试验是可行的。

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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

刘鹏(1991- ),男,硕士研究生,研究方向为引信及弹药总体技术。E-mail:skiy906@163.com。

王雨时(1962- ),男,教授,研究方向为引信技术。E-mail:wyshi204@163.com。

TJ430.1

A

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