引信磁后坐发电机保险片后坐保险机构保险和解除保险特性

肖 剑,王雨时,闻 泉,张 滨,陈政伟

(1. 南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094；2.江西新明机械有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

磁后坐发电机是一种典型的引信物理电源，主要由磁芯(永磁铁)、电枢(线圈)、保险片和磁芯托组成，其作用机理是保险状态下由保险片托住磁芯，使其不能运动，从而保证被保险；在发射后坐力的作用下，保险片被磁芯剪断从而释放磁芯，磁芯在后坐力作用下，相对电枢作轴向直线运动，从而产生感应电动势，为引信提供能量输入，并最终进入磁芯托盲孔中。保险片在引信中的保险和解除保险(剪切)性能与冲击过载、冲击过载持续时间、保险片材料、磁芯托口部直径以及磁芯端面形态等因素有关。文献[1]研究了磁后坐发电机能量与尺寸的关系。文献[2]开展了磁后坐发电机磁场的有限元分析。文献[3—4]主要研究了影响剪切销保险机构剪切性能的因素。

在引信磁后坐发电机保险片后坐保险机构设计过程中，主要是通过多次试验逼近的方法确定机构的结构尺寸，周期长、消耗大、难以优化，安全性和可靠性均不易提高。针对此后坐保险机构在跌落冲击下的安全性和在发射冲击下的解除保险可靠性问题，本文以30 mm口径火炮引信用磁后坐发电机保险片后坐保险机构为研究对象，运用商业软件LS-DYNA仿真磁后坐发电机保险片后坐保险机构对跌落和发射冲击的响应过程，分析保险片材料、磁芯与磁芯托间隙不同情况下遭受两种冲击时的变形时刻或剪断时刻，为磁后坐发电机保险片后坐保险机构设计提供参考。

1 磁后坐发电机保险片后坐保险机构简化模型

所设计保险片是面对称结构(如图1所示)，故简化为1/2仿真模型(如图2所示)。运用LS-DYNA商业软件仿真跌落冲击和发射冲击作用下磁后坐发电机磁芯对保险片的剪切过程。仿真以cm·g·μs为基本单位，采用SOILD164实体单元映射划分网格，对磁芯托的底部和电枢的顶部施加固定约束，并对模型对称面施加对称约束。

图1 磁后坐发电机保险片后坐保险机构示意图Fig.1 The schematic of magnetic setback motor safety device

图2 磁后坐发电机保险片后坐保险机构1/2仿真模型Fig.2 The half simulation model of magnetic setback motor safety device

2 仿真模型与材料仿真参数

2.1 材料模型

磁芯材料是永磁材料[1]。在仿真过程忽略电磁效应的影响，将磁芯和电枢材料分别采用45钢和7A04铝合金代替，两者材料模型均采用“MAT_JOHNSON_COOK”。磁芯托材料是7075铝合金，保险片是1060铝，两者材料模型均采用“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”。材料仿真参数如表1—表4所列。

表1 45钢JONSON_COOK材料模型主要参数[5-7]

表2 7A04铝合金JONSON_COOK材料模型主要参数[8]

表3 7075铝合金PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要参数[9]

表4 1060铝PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要参数[9]

2.2 结构仿真参数

在磁芯、电枢和保险片材料及尺寸均不改变、磁芯托材料也保持不变的条件下，研究磁芯托内径D对保险片保险和解除保险性能的影响，拟仿真研究的磁芯托内径结构参数如表5所列。磁后坐发电机保险机构实物图如图3所示。

图3 磁后坐发电机保险机构实物图Fig.3 The physical map of magnetic setback motor safety device

2.3 保险片材料仿真参数

在磁芯、电枢和磁芯托材料不变的情况下，改变保险片材料，材料不同其力学性能不同，保险片剪切性能会有差异。因此对保险片采用不同材料进行仿真分析，选取保险片材料为紫铜、20钢、黄铜(HPb63-3Y)、黄铜(H68)和锡青铜(QSn6.5-0.4)，材料参数如表6所列。

表5 拟仿真研究的磁芯托内径结构参数

表6 保险片材料主要参数[10-12]

2.4 过载仿真参数

为保证磁后坐发电机保险片保险机构在跌落冲击下的安全性以及在发射冲击下的解除保险可靠性，采用半周期正弦规律简化曲线和Vallier公式曲线[13]分别模拟跌落冲击过载曲线和发射冲击过载曲线，并按文献[14]给出的经验公式估算出该小口径火炮引信发射过载作用时间，所得跌落和发射冲击过载曲线分别如图4和图5所示。其中过载系数系根据理论计算和经验确定，如表7所列。

图4 跌落冲击过载曲线Fig. 4 The drop overload coefficient curve

图5 发射冲击过载曲线Fig. 5 The launch overload coefficient curve

过载类型过载系数作用时间/s跌落过载15 000200发射过载50 0004 500

2.5 仿真验证

按照GJB573A-1998《引信环境与性能试验方法》要求，对磁后坐发电机机构配弹进行1.5 m落高的跌落试验，其中保险片所用材料为1060铝，结构参数所用数据为表6第六组参数。保险片跌落试验后的状态如图6所示，中间凹陷0.84 mm。仿真所得结果如图7所示，中间凹陷0.866 mm。相对误差为3.09%，说明仿真方法与结果是可信的。

图6 跌落试验结果Fig.6 The results of drop test

图7 跌落仿真结果Fig.7 The results of drop simulation

3 仿真结果

3.1 跌落环境仿真结果和分析

在跌落后坐过载下，不同材料在不同磁芯托内径下保险片剪切破坏时间仿真结果如表8所列，用Matlab拟合不同材料在不同磁芯托内径的凹陷程度曲线，其中纯铝1060在磁芯托内径6.5 mm下解除保险，故未在曲线中拟合此点凹陷程度，如图8所示。

表8 跌落环境下保险片剪切破坏时间仿真结果

注：表中数字表示保险片剪断时刻(μs)；“+∞”代表保险片未被剪切，即磁后坐发电机保险机构未解除保险。

图8 保险片凹陷程度拟合曲线Fig.8 The fitting curve of safe feature pitting degree

由图8可以看出：跌落过载下，相同材料在不同的磁芯托内径下凹陷程度不同，随着直径增大，凹陷程度逐渐增大。相同直径下， 不同材料凹陷程度不同，按纯铝1060、紫铜、20钢、HPb63-3Y、黄铜(H68)和锡青铜(QSn6.5-0.4)顺序凹陷程度依次减小。其中紫铜、20钢、黄铜(HPb63-3Y)、黄铜(H68)和锡青铜(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托内径下均满足跌落环境下的安全性，但纯铝1060在磁芯托内径6.5 mm下会解除保险，解除保险时刻为171 μs。

3.2 发射环境仿真结果

在发射后坐过载下，不同材料在不同磁芯托直径下保险片剪断时刻、发电机磁芯落底时间(磁芯位移5.0 mm的时间)仿真结果如表9所列。磁芯托内径为6.0 mm的保险片剪断过程如图9所示。

表9 发射环境下保险片剪切破坏时间仿真结果

注：表中数字表示保险片剪断时刻/发电机磁芯落底时间(μs)；“+∞”代表保险片未被剪切，即磁后坐发电机保险机构未解除保险。

图9 保险片剪断过程Fig.9 The shear process of safe feature

由表9可以看出：发射冲击下，相同材料在不同的磁芯托内径下保险片剪断时刻和发电机磁芯落底时间刻不同，随着直径增大，保险片剪断时刻和发电机磁芯落底时间均逐渐减小。相同直径下，不同材料剪断时刻和发电机磁芯落底时间不同，按纯铝1060、紫铜、20钢、HPb63-3Y、H68和锡青铜(QSn6.5-0.4)顺序剪断时刻和发电机磁芯落底时间依次增大。其中紫铜和20钢在以上磁芯托内径下均满足发射环境下的解除保险可靠性，黄铜(HPb63-3Y)和黄铜(H68)在直径5.0 mm和5.5 mm下不能被剪断，锡青铜(QSn6.5-0.4)在以上磁芯托内径下均不能被剪断。

由图9可以看出：发射冲击下，保险片经过拉脱变形后被剪断。

由纯铝1060保险片、直径4.5 mm磁芯和直径5.5 mm的磁芯托孔构成的磁后坐发电机保险片后坐保险机构，在30 mm口径火炮上经数百发射击实验，均能可靠解除保险，并且同时满足1.5 m跌落安全性要求。

4 结论

本文以30 mm口径火炮引信用磁后坐发电机保险片后坐保险机构为研究对象，应用LS-DYNA商业软件仿真磁后坐发电机保险片后坐保险机构在跌落和发射冲击作用下的响应过程，得到了保险片材料、磁芯与磁芯托间隙不同情况下遭受两种冲击时的变形时刻或剪断时刻， 即引信磁后坐发电机保险片后坐保险机构的保险特性和解除保险特性。仿真结果表明：在磁芯托直径较大(较小)情况下，磁后坐发电机保险片后坐保险机构在发射环境中发电机磁芯落底时间短(长)，在跌落环境下凹陷程度大(小)。该结果可为引信磁后坐发电机保险片后坐保险机构设计提供参考，并且可缩短引信磁后坐发电机保险片后坐保险机构的设计周期和试验周期。该结果也可应用于类似引信保险片后坐保险机构的工程设计。