引信保险机构双环境力加载模拟装置

张艳兵，武志博，马铁华 ，赵 旭

(1.中北大学计算机与控制工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；3.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)

引信保险机构双环境力加载模拟装置

张艳兵1，2，武志博1，2，马铁华1，2，赵 旭3

(1.中北大学计算机与控制工程学院，山西太原030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051；3.西安机电信息技术研究所，陕西西安710065)

针对炮弹发射时受到后坐高冲击和旋转高离心双环境力的连续加载，使得其加载过程难以近似模拟的问题，设计了引信保险机构双环境力加载模拟装置。该装置运用储能飞轮、高速碰撞以及旋转离心激励，通过调节转盘的转速和碰撞介质，可以调整过载加速度的幅值和脉宽。试验结果表明，该装置对引信保险机构可实现后坐冲击过载达上万g、旋转离心过载达上千g的双环境力的连续加载模拟。

引信保险机构；双环境力；加载模拟装置；储能飞轮；高速碰撞

0 引言

引信保险机构的可靠性与环境力有着密切的关系。在炮弹发射过程中，引信执行器受到轴向后坐高冲击和旋转高离心双过载环境力的加载。过载异常时，可能提前解除保险，造成不安全后果，也可能导致瞎火失效[1]。为了在地面测试引信保险机构的性能，保证其可靠性，有必要研究后坐高冲击和旋转高离心双环境力的连续加载模拟装置。

旋转高离心过载环境通常用离心机模拟，但是离心机靠电机加载，不能瞬间启动，因此不能模拟冲击过载[2-3]。实验室采用的冲击加载方法有：马歇特锤、霍普金森杆、空气炮等[4-8]。现有的过载环境模拟试验设备大多是把冲击过载和离心过载分开模拟，把双过载环境力的连续加载过程离散化，不能近似模拟引信保险机构的工作过程。利用撞击减速法[9]或空气炮发射，同时加上旋转可模拟后坐和旋转双环境力，但是成本高，体积大。针对上述问题，本文设计了引信保险机构双环境力加载模拟装置。

1 模拟装置的结构及工作过程

1.1 模拟装置的总体结构

双环境力加载模拟装置主要由飞轮储能机构、冲击激励加载系统、旋转激励加载系统组成。飞轮储能机构通过调速电机驱动转盘，为系统提供巨大动能；冲击激励加载系统包括转盘、电磁铁、离合器、碰撞杆，利用高速碰撞实现后坐过载环境力的加载；旋转激励加载系统主要包括双旋转轨道，受到冲击的试件在圆周轨道上旋转，实现离心旋转过载环境力的加载。加载模拟装置的总体结构如图1所示。

图1 加载模拟装置总体结构图Fig.1 The structure of loading simulator

1.2 控制系统的结构

加载模拟装置的控制框图如图2所示，包含飞轮储能机构控制回路，冲击激励加载控制回路。飞轮储能机构由高速电机驱动，对转盘进行调速；冲击激励加载控制回路检测转盘位置，并对电磁离合器和电磁碰撞杆进行控制，实现后坐冲击过载环境力的加载模拟。冲击后的试件在轨道上旋转，实现旋转离心过载环境力的加载模拟。

1.3 加载模拟装置的工作原理

双环境力加载模拟装置的工作过程分为飞轮储能、冲击激励加载、离心旋转激励加载。

图2 加载模拟装置控制系统结构图Fig.2 The structure of loading control system

1)飞轮储能

试验初始状态下，离合器闭合，转盘由电机驱动。试件静止停放在内侧轨道，电磁铁吸合碰撞杆，碰撞杆处于回收状态，转盘和轨道分离。试验开始时，首先设定过载加速度值，启动转盘开始加速。轨道和转盘分离，因此试件静止。

2)冲击激励加载

冲击激励加载系统的初始状态和加载过程如图3和图4所示。转盘达到设定转速并到达指定位置后，启动冲击激励命令。为防止巨大的反碰撞力损坏电机，转盘和电机必须分离，此时离合器断开，转盘靠惯性继续高速旋转。碰撞机构动作，电磁铁断开，碰撞杆释放。内轨上的试件受到碰撞杆的高速碰撞后产生冲击加速度，其幅值可以通过电机的转速及碰撞接触面的介质进行调节，实现试件后坐冲击过载环境力的加载模拟。

3) 离心旋转激励加载

为保证试件与碰撞杆不再干涉，受到二次碰撞，轨道被分为内外轨道。受到冲击的试件由内侧轨道变轨至外侧旋转轨道，依靠惯性离心旋转，实现了离心过载环境力的加载。旋转离心加载过程如图5所示。

图3 后坐冲击激励加载系统初始状态Fig.3 The initial state of recoil loading system

图4 后坐冲击激励加载过程Fig.4 The loading process of recoil

图5 旋转离心加载过程Fig.5 The loading process of spin centrifugal

2 加载模拟过程的分析

转盘半径为r1=500 mm，碰撞时试件所在位置的半径为r2=0.55 m。转盘的转动惯量为20.68 kgm2，电磁铁和碰撞杆的转动惯量为0.34 kgm2，因此碰撞机构的总转动惯量为：J1=21.02 kgm2，转盘角速度为ω，由转动动能及等效动能公式：

(1)

可得碰撞时转盘的等效质量为：m等效=69.5 kg。

试件和加速度测试装置的质量为1 kg，由动量守恒定律及钢-钢碰撞恢复系数，可得：

(2)

式中，v0，v1分别是碰撞前和碰撞后转盘的转速；v2，α离心，α后坐分别是碰撞后试件获得的速度、离心加速度和后坐冲击加速度；t是冲击加速度脉宽的持续时间。

由式(2)可以看出，按照模拟试验要求，已知后坐冲击加速度及离心加速度的幅值，即可估算出转盘的转速和冲击脉宽的持续时间。因此调节转盘的转速和冲击脉宽的持续时间，即可满足不同引信的模拟试验要求。

在工程实践中，往往通过调节缓冲垫的材料和厚度获得良好的高冲击宽脉冲激励。冲击脉宽的持续时间满足[6]：

(3)

式中，τ是冲击脉宽的持续时间，m是带缓冲垫片的试件的质量，M是碰撞杆的质量，K是系统的刚度系数，E是缓冲材料的弹性模量，A是缓冲垫片的面积，l是缓冲垫片的厚度。

由式(3)可知，冲击脉宽的持续时间只与碰撞材料及其结构尺寸有关，与碰撞速度无关。增加垫片厚度，可减小系统刚度，增加试件质量，增加冲击脉宽的持续时间。

根据弹性垫冲击特性[10]，冲击加速度峰值为10 000g，冲击持续时间在0.5～4 ms时，通过调节低硬度高弹性橡胶垫片的厚度可调节冲击脉宽的持续时间。

3 后坐冲击加载过程仿真

某引信双过载环境模拟实验要求后坐冲击过载加速度幅值不小于10 000g，离心旋转过载加速度幅值不小于1 000g，冲击脉宽最大0.5 ms。由式(2)可以算出，碰撞前转盘的转速v0=47.88 m/s,碰撞后试件的转速v2=73.42 m/s。

利用LS-DYNA 软件包模拟后坐冲击加载过程，碰撞杆和试件均选用刚性体模型，缓冲材料选用橡胶模型，材料参数如表1所示。

表1 材料模型参数

转盘初始转速为1 000 r/min，不加缓冲材料，碰撞后试件的后坐过载加速度和速度曲线如图6所示。试件的后坐过载加速度幅值可达4万g，脉宽为0.225 ms，速度为73.4 m/s，对应的离心过载加速度为999.55g。

图6 n=1 000 r/min时试件的后坐过载响应曲线Fig.6 The recoil response curves for n=1 000 r/min

转盘转速为1200 r/min，试件的后坐过载加速度和速度曲线如图7所示。碰撞后试件的后坐过载加速度幅值可达5万g，脉宽为0.225 ms，速度为82.6 m/s，对应的离心过载加速度为1 265.82g；10 mm厚的橡胶垫片缓冲后，试件的后坐过载加速度幅值可达1.98万g，脉宽为0.5 ms，速度为79.4 m/s，对应的离心过载加速度为1 169.6g，满足技术指标要求。

从仿真结果可以看出，改变转盘的转速和缓冲材料的厚度可以调节离心过载加速度的幅值和后坐冲击过载加速度的幅值及脉宽，以满足不同引信的模拟试验要求。

图7 n=1 200 r/min时试件的后坐过载响应曲线Fig.7 The recoil response curves for n=1 200 r/min

4 结论

本文提出的引信保险机构双环境力加载模拟装置，用飞轮储能和高速碰撞的方式使试件瞬间加速，模拟后坐冲击激励加载过程；冲击后的试件在圆周轨道上旋转，模拟离心旋转激励加载过程。通过调节转盘的转速和碰撞介质，可以调整过载加速度的幅值和脉宽。试验结果表明,该装置对引信保险机构可实现后坐冲击过载达上万g、旋转离心过载达上千g的双环境力的连续加载模拟，为引信的安保系统解保试验提供了可能的实用化平台。

[1]张合,李豪杰.引信机构学[M].北京:北京理工大学出版社,2014.

[2]吴建国,李海波,张琪,等.综合离心环境试验技术研究进展[J].强度与环境,2014,41(1):1-9.

[3]马杰,姚郁.一种新型动态飞行过载模拟器及其运动学分

析[J].系统仿真学报,2009,21(z2):112 -114.

[4]张艳兵,马铁华,祖静,等．模拟导弹发射的空气炮启动带矢量转台离心机[J].探测与控制学报, 2012,34(1):28-32.

[5]Liu Y X,Benjamin,Liaw.Drop-weight impact tests and finiteelement modeling of cast acrylic / aluminum plates[J].Polymer Testing, 2009,28 (8):808-823.

[6]Yang B, Tang L Q, Liu Y P,et al.Localized deformation in aluminium foam during middle speed Hopkinson bar impact tests[J].Materials Science and Engineering A-structral Materials Properties Microstructure and Processing,2013,56:734-743.

[7]Rakvag K G,Borvik T,Hopperstad O S. A numerical study on the deformation and fracture modes of steel projectiles during Taylor bar impact tests[J]. International Journal of Solds and Structures,2014, 51:808-821.

[8]齐杏林,杨清熙,文健,等.基于气体炮的引信动态模拟方法综述[J].探测与控制学报, 2011,33 (4):1-4+10.

[9]钱海鹰,高汝明,王虹旋.引信液体储备电池双环境力模拟装置仿真研究[J].强度与环境,2013, 40(1):58-63.

[10]吴三灵,李科杰,张振海,等.强冲击试验与测试技术[M].北京：国防工业出版社，2010.

ADoubleEnvironmentalForcesSimulatorofFuzeSafeandArmingSystem

ZHANG Yanbing1,2, WU Zhibo1,2, MA Tiehua1,2, ZHAO Xu3

(1. School of Computer Science and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065,China)

Aimed at the problem of the continuous loading of the recoil and the spin environmental forces during a shell launching, which makes the load process difficult to be closely simulated, a double environmental forces simulator of fuze safe and arming system was designed. The techniques of storage flywheel, high speed impact and spin centrifugal incentive were applied to the simulator. By changing the speed of the turntable and the cushion materials, the amplitude and width of overload accelerations could be adjusted. The testing results showed that the amplitudes of the recoil overload acceleration and the spin overload acceleration were more than 10000g and 1000g, which could simulate the continuous loading of the double environmental forces of fuze safe and arming system.

fuze safe and arming system; double environmental forces; simulator; storage flywheel;high speed impact

2017-03-15

:国家部委资助项目(A32010)；重点实验室基金项目资助(C120401)。

:张艳兵(1973—)，男，山西临猗人，博士研究生，副教授，研究方向：动态测试与智能控制。E-mail:zhyb1126@163.com。

TJ434.2

：A

：1008-1194(2017)04-0022-04