拔销器作用过程的仿真研究

孙 洁，郭崇星，吴瑞德，郭晓荣

拔销器作用过程的仿真研究

孙 洁，郭崇星，吴瑞德，郭晓荣

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

针对活塞式拔销器，建立了其内弹道模型，利用MATLAB软件数值模拟了装置整体作用过程，并与试验结果进行对比。结果表明内弹道模型仿真结果和试验结果基本一致，均可反映活塞式拔销器的运动特性。采用仿真模型分析各参数变化对拔销器性能的影响。结果表明活塞质量对拔销器运动的峰值速度影响最大，装药量、火药力和初始容积对峰值压力影响较大。

拔销器；内弹道；数值模拟；作用过程

拔销器是将电发火管与机械运动机构结合成一体的火工装置，有体积小、重量轻、所需激发能量小、使用安全、作用可靠等特点，能够有效降低总体承载方向的冲击[1-2]。国外在航空航天飞行器、导弹、火箭与水下武器中，将拔销器应用在保险与解除保险装置、启动陀螺和阀门启动等方面。近几年来，我国陆续研制了多种拔销器，并应用在导弹引信解除保险、运载火箭的固定与解脱机构、导弹和火箭在发射简中的挡弹机构等方面。本文运用MATLAB/ SIMULINK软件，对某型号拔销器的工作过程开展了数值模拟，重点分析了各参数变化对腔室内压力及活塞到位动能的影响，以此校核静力结构强度、分析由于内部冲击导致结构破坏的问题，为此类装置的研发设计提供参考和依据。

1 某拔销器结构及工作原理

虽然各种拔销器的形状、大小、功能不同，但利用火药燃烧产生的高温高压气体使活塞杆回缩作功，是拔销器产品的共同特征。

图1中某拔销装置主要由主装药剂、活塞、壳体和剪切销组成。产品的工作原理为：作用前剪切销将活塞和壳体定位，限制活塞活动，实现对某发动机进气道机械堵盖结构的锁定任务。在接到起爆信号后双发电起爆器的任一发作用点燃主装药，产生高温高压燃气推动活塞运动，活塞前进剪断剪切销，运动到位后被锁止，完成解锁功能。

图1 某拔销器结构示意图

2 内弹道分析

2.1 内弹道模型

拔销器的作用原理与火炮的作用原理基本一致，拔销器的腔体相当于火炮的线膛，固定活塞的剪切销相当于火炮弹丸挤进的坡膛，活塞相当于火炮发射的弹丸。图2为拔销器作用前后示意图。参考火炮发射弹丸过程，拔销器工作过程可以分为点火过程（点火器装置工作点燃主装药）、挤进过程（气体压力达到一定程度将剪切销剪断）和运动过程（活塞在燃气压力作用下运动）。借鉴火炮发射弹丸工作原理，拔销器工作过程可以采用内弹道学理论进行分析[3]。对拔销器作用过程的计算，需作出如下假设：（1）输出药的所有药粒具有均一的理化性质，以及完全相同的几何形状和尺寸。（2）所有药粒具有相同的燃烧环境，燃烧规律按照火药表面同时着火和平行层几何燃烧情况进行。（3）输出药的燃烧服从指数燃速定律。（4）不考虑点火器内点火药的燃烧过程，将其折合为主装药进行计算。

（a）作用前     （b）作用后

（1）火药形状方程：火药的形状函数是指相对燃烧表面积和相对燃烧体积与相对弧厚的关系。主装药为管状2/1樟发射药。

式（1）中：为火药燃烧百分比；为火药燃掉的相对厚度，，为已燃火药厚度，1为初始火药厚度。

（2）燃速方程：根据经典内弹道理论，燃速方程如下：

式（2）中：1为燃速系数；为指数。

（3）活塞运动方程：在计算中，假设药室内各处压力相同，仅仅是时间的函数。

式（3）中：为次要功系数；为活塞面积；为活塞质量；为药室内任一时刻的平均压力。

（4）活塞速度方程：速度方程运用运动学基本方程进行计算：

式（4）中：为活塞速度；为活塞行程；为活塞运动时间。

（5）能量守恒方程：系统中内能数量的减少等于质量交换净带出的内能、对外做功以及散热量3者之和。

其中为药室自由容积缩颈长：

2.2 仿真计算

Simulink是MATLAB下建立系统框图和仿真环境，把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。为了求解活塞式拔销器作用过程外筒腔内压力随时间的变化趋势和活塞到位时动能，将方程式组合成方程组，采用MATLAB/Simulink 模块进行系统仿真计算，各方程均用独立模块构建，各模块相互联接形成系统[4]。结构参数中初始容腔、活塞质量与运动行程为结构设计参数，总体阻力为剪切销的剪切力加上活塞与壳体之间的摩擦力计算所得；火药性能参数中火药力、燃烧系数、燃烧指数均由火药燃烧特性决定，由密闭爆发器试验测得。燃烧层厚度、初始长度、药粒密度与火药余容是由药粒形状决定的参数。装药质量为主装药加上点火器内点火药，由比容计算折合后的总装药量。

表 1 仿真计算中各参数的初始值

Tab.1 Initial values of parameters for simulation

3 试验研究

活塞式拔销器的性能参数主要包括内筒腔内燃气压力、作用时间、活塞运动速度。为了检验拔销器的性能及其内弹道模型的合理性，采用图3所示测试系统对其作用过程进行测试。

图3 测试系统

测试原理：采用压变式压力传感器测试外筒腔内的——曲线和压力峰值max，高速摄影拍摄活塞回缩过程。共进行了3发试验，起爆器发火电流为5A，由于2/1 樟发射药不易被直接起爆，故采用二级装药，其中一级装药为某型号点火药。

表 2 特征参数测量结果

Tab.2 Tested results of characteristic parameters

注：max为压力峰值；1为到达峰值压力的时间；max为峰值速度；为活塞完成运动的时长。

从表2可得到机构的作用时间均值为0.79ms，0.50ms腔室内达到最大压强80.4MPa，活塞到位时最大速度达到53.7 m·s-1。为了对比分析内弹道仿真结果与试验结果，将2种方式所得到的——曲线及——曲线对比，如图4和图5所示。

图4 实测压力与仿真压力对比

从图4 可以看出，压力仿真值与试验值有一定的差距，实测压力曲线有3个压力峰值。主要原因是实际装药是2种装药，燃烧过程中产生了2次压力峰值，当其燃烧结束后，密封结构使外筒腔内燃气压力平缓衰减；而建立仿真模型时考虑的是一种装药，且没考虑火药燃烧后的密封性。曲线中第2个峰值的产生与活塞剪断剪切销有关，腔室体积变化导致了压力变化。但2种方法所得到的压力峰值max值相差不大，在一定程度上可近似反映其峰值压力。图5显示活塞的位移仿真结果与试验结果几乎一致，由此说明内弹道仿真模型可反映活塞的运动特性。

图5 实测位移与仿真位移对比

4 参数变化对作动过程的影响

基于建立的模型，选取拔销器的几个重要设计参数，分析其对仿真结果的影响，指导后续相关产品结构设计及结构优化工作的进行。选取火药力初始值±15%为输入参数，分析作用过程中峰值压力与峰值速度的变化。结果如图6及表3所示。图6、表3数据显示，当火药力变化幅值为15%，峰值压力变化幅值为15.5%，峰值速度最大变化幅值为7.3%。综合上述结果及分析，火药力应作为拔销器仿真的重要影响因素。

图 6 火药力变化对仿真结果的影响

表 3 火药力对作用过程的影响

Tab.3 The effect of powder force change on the function

同理，分析燃烧层厚度、装药量等参数变化对作动过程的影响，各个参数变化百分比如表4所示。

表 4 性能参数变化百分比

Tab.4 The percentage of parameter change

表4数据显示，活塞质量对峰值速度的影响最大，即对到位时的动能变化影响较大，对峰值压力影响较小；对压力影响较大的参数为装药量、火药力和初容，影响幅值均达到10%以上，因此这4个参数为拔销器性能的主要影响因素。

腔室内峰值压力考验的是壳体静力结构强度，同系列产品在进行强度校核可通过优化对峰值压力影响较大的参数，来实现结构优化；活塞峰值速度反映的是活塞撞击壳体的瞬时速度，可通过减少药量或添加缓冲吸能装置来降低活塞对壳体的冲击。

5 结论

（1）针对一种活塞式拔销器建立了机构作用过程的内弹道模型，并进行了仿真计算。

（2）试验结果和仿真结果的对比表明，建立的内弹道模型可以较准确地预测拔销器的作用时间、峰值压力、峰值速度等特性参数。

（3）仿真分析表明活塞质量对峰值速度的影响最大，即对到位时的动能变化影响较大，对峰值压力影响较小；对压力影响较大的参数为装药量、火药力和初容，因此这4个参数应作为拔销器性能的主要影响因素来进行优化设计。

[1] 王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2] 高滨.火工驱动分离装置的应用[J]. 航天返回与遥感，2004，25( 1) : 55-59．

[3] 叶耀坤,严楠.低冲击火工解锁螺栓的内弹道特性分析[J].北京工业大学学报,2012,38(9):1 332-1 336.

[4] 薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002．

Simulation Research on the Function Process of the Pin Puller

SUN Jie，GUO Chong-xing，WU Rui-de，GUO Xiao-rong

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi’an，710061)

Aimed at the pin puller, the interior ballistic model was established, the numerical simulation of its separation process was carried out by the software MATLAB, and compared to the test results. It showed that the simulation results were consistent with the test results, which all reflect the moving characters of pin puller. Then, the effects of the parameters change on the properties of pin puller were simulated, the results showed that the mass of piston has the largest effect on the peak velocity of pin puller moving, while charge mass, powder force and initial volume have great influence on the peak pressure．

Pin puller；Interior ballistic；Numerical simulation；Separation process

1003-1480（2017）01-0010-04

TJ45+9

A

2016-12-02

孙洁（1991 -），女，在读硕士研究生，主要从事先进火工技术研究。