引信触发开关动态特性优化方法

张冬梅，李世中

(中北大学机电工程学院,山西 太原 030051)

0 引言

机电引信在对靶射击试验时出现了瞎火率偏高的故障，分析其原因，可能是引信头部触发开关结构形态的问题。目前难以通过理论分析直接找出引信瞎火的原因[1-4]。

随着计算机技术的不断发展，运用数值仿真的方法精确研究弹引系统侵彻目标问题，特别是侵彻过程中引信的动态特性问题逐渐成为现实。文献[5-8]对弹丸侵彻目标的过程进行了有限元仿真分析，获得了侵彻过程中弹丸的加速度、速度、行程等变化曲线，并详细阐述了弹丸所承受的过载规律。文献[9-12]通过有限元仿真对不同弹头形状的弹丸侵彻混凝土目标的过程进行了研究，结果发现弹头形状对弹丸侵彻过载有一定的影响。

然而上述文献研究的都是实心弹丸侵彻靶板的情形，建模时都未考虑引信内部结构在侵彻过程中的动态特性。本文针对此问题，提出了引信触发开关动态特性优化方法。

1 碰合开关及其建模与仿真

1.1 碰合开关

触发开关又称发火开关或碰击开关，它是利用载体碰击目标时的反作用力闭合来接通引信电路，从而使起爆元件发火。

常用的触发开关有碰合开关、惯性开关和振动开关。触发开关通常应满足下列要求：

1)具有一定的机械强度。在发射过程中和弹道上受干扰力作用时不得闭合，以保证发射时和弹道上的安全性；

2)碰击目标时能迅速闭合；

3)具有一定的灵敏度，在大着角碰击目标、小落角着地、擦地等情况下应能可靠闭合；

4)接触电阻和分布电容要小。常用钢材制作接点，有时还要镀银来降低接触电阻；开关的两个电极保持一定的距离以减小分布电容。

根据引信战术技术指标要求和配用武器系统的使用要求，碰合开关可设计成各种形状，如销状、管状、片状和丝状等。

某单兵火箭弹引信系统配用的碰合开关见图1所示。该碰合开关装在弹头部，其与系统主控电路用电缆连接。其内电极装在外电极内部，构成作用元件，并通过螺纹固定在弹体上。为保证内电极和外电极的同心性和绝缘要求，在内电极中部安装有绝缘体，外电极通过外部保护罩进行保护。当弹体碰击目标时，碰合开关的内电极和外电极接触，即开关闭合，此时电引信供电电路接通，起爆元件发火。

图1 碰合开关结构图Fig.1 Structure of trigger switch

1.2 建模与仿真

为了研究开关的动态特性，采用有限元仿真的方法对安装有碰合开关的弹丸侵彻目标的过程进行研究。

1.2.1数值仿真思路

首先，用TrueGrid软件建好整个系统的三维有限元模型，弹头三维有限元模型半剖后如图2所示，然后在ANSYS软件中添加材料及参数，施加载荷及边界条件，最后输出在DYNA中导入修改好的K文件进行计算。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

拟定该碰合开关在弹丸以200 m/s 垂直侵彻25 mm松木板目标时必须闭合(上限)，在弹丸以250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板目标时不闭合(下限)。

1.2.2数值仿真建模

弹丸简化为弹体、药柱、引信3 个模块；引信又简化为风帽、外电极、内电极、填充体和压螺5个模块。外电极和内电极组成了头部触发开关，两者接触后，开关闭合，发火电路导通。靶板材料分别为3 mm胶合板和25 mm松木板。弹丸侵彻目标的三维有限元模型如图3所示。

图3 弹丸侵彻靶板有限元模型Fig.3 Finite element model of projectile penetrating target

为了简化有限元模型，提高计算效率，作如下假设：

1)各零部件间均通过共节点法固连；

2)弹引系统的有限元模型与真实系统质量保持一致；

3)整个碰撞过程不考虑热效应；

4)不考虑空气阻力；

5)不考虑自身重力的影响；

6)弹丸和靶板撞击前的应力为0。

1.2.3材料模型与参数

各零部件所用材料的应力应变关系差别不大，属于应变率相关性较小的材料，因此均采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型，其主要参数如表1所示。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

1.2.4仿真结果分析

仿真得到的火箭弹以200 m/s垂直侵彻25 mm松木板目标和以250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板目标的过程如图4和图5所示。仿真结果表明，系统在以250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板的情况下开关未闭合，即符合设计的下限要求，但在以200 m/s垂直侵彻25 mm松木板的情况下不能闭合开关(内外电极保持接触状态)，因此该结构不能够满足设计的上限要求。

图4 250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板过程Fig.4 Process of penetration into 3 mm plywood

图5 200 m/s垂直侵彻25 mm松木板过程Fig.5 Process of penetration into 25 mm pine board

以上情况考虑的均为弹丸垂直侵彻靶板的情况，为了验证实际着角对该碰合开关的影响，分别对弹丸以30°、45°、60°、80°着角侵彻25 mm松木靶的过程进行了仿真，仿真的有限元模型如图6所示，不同着角对应的开关闭合时间如图7所示。分析仿真结果发现当弹丸以适当着角侵入靶板的时候开关可以闭合，开关闭合时间大于140 μs，但当弹丸以接近0°和90°的着角侵入靶板的时候开关不能闭合。因此该结构不能够满足设计的上限要求，需要进行优化设计。

图6 不同角度侵彻松木靶Fig.6 Penetration into pine board at different angles

图7 不同角度情况下开关闭合时间Fig.7 Switch closing time at different angles

2 开关结构优化设计

由以上仿真结果可知，安装图1所示的碰合开关的机电引信不能满足设计要求，需要对其结构进行改进。下面在不改变引信整体尺寸的前提下，分别通过调整电极厚度、形状及内部填充三种方法对开关进行优化设计。

2.1 电极厚度对开关的影响

内电极尺寸不变，将外电极厚度从0.6 mm分别调整为0.5、0.4、0.3 mm进行仿真，从弹体接触目标到开关闭合经历的时间如表2所示。

表2 不同厚度电极的开关闭合时间Tab.2 Closing time of electrodes with different thickness

由表2可以看出外电极的厚度对开关闭合时间影响较大，当电极厚度为0.6 mm和0.5 mm时弹体以200 m/s垂直侵彻25 mm松木板开关不能闭合。当外电极厚度为0.4 mm时，开关能够闭合，从弹体接触目标到开关闭合大约需要123 μs，即开关闭合速度较慢；当外电极厚度为0.3 mm时，开关闭合需要81 μs。该结果充分证实了外电极厚度越小开关闭合时间越短，因此可以通过调节电极的厚度来改变引信的瞬发度。

2.2 电极形状对开关的影响

除了电极厚度，电极的形状也是影响开关性能的一个重要因素。在不改变引信外形尺寸的前提下将引信形状改为如图8所示结构，该结构的弹引系统以200 m/s垂直侵彻25 mm松木靶的过程中外电极变形过程如图9所示。将其与原结构侵彻过程对比可知，开关闭合的时间由81 μs减少到了36 μs，内外电极接触位置处外电极的变形量是2.2 mm,大于内外电极的距离2 mm。由此可见，锥头形状的电极更容易变形，它比圆头形状的电极瞬发度更高，因此可以通过改变电极的形状来调整开关的性能。

图8 锥形头部碰合开关Fig.8 Conical trigger switch

图9 200 m/s垂直侵彻25 mm松木靶外电极变形Fig.9 Deformation of outer electrode

2.3 内部填充对开关的影响

保持内外电极的形状和尺寸不变，将电极内部由实心变为空心，该结构的弹体系统以200 m/s垂直侵彻25 mm松木靶的过程如图10所示。将其与实心结构对比可知，电极内部空心设置的情况下开关能够闭合，即空心电极具有更好的瞬发度。

图10 200 m/s垂直侵彻松木靶过程Fig.10 Process of penetration into pine board

3 实验验证

加工的开关样品如图11所示，其电极材料为紫铜，该系统通过螺纹固定到弹体上。

图11 开关样品图Fig.11 Switch sample

侵彻实验过程在口径为152 mm的一级轻气炮上进行。实验中使用型号为FASTCAMSA5的高速摄像机，其帧率为10 000 f/s。高速摄像机拍摄撞击侵彻过程，并根据图像资料计算出弹体的初始撞击速度，整个实验设置方案如图12所示。

图12 实验整体方案Fig.12 Overall test scheme

设计的碰合开关及其几种改进结构的具体参数和实验结果如表3所示。由表3可知，原始结构的碰合开关及其改进结构在侵彻3 mm胶合板的时候均未闭合，因此它们都符合在以250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板的情况下开关不连通的要求。在侵彻25 mm松木靶的三次实验中，原始结构和3#改进结构不能保证开关闭合，即使对于闭合情况，开关闭合时间也较长。1#和2#改进结构的开关闭合时间较短，并且在3次试验中均成功闭合。

表3 实验参数及结果Tab.3 Test parameters and results

因此，经过优化改进的1#和2#开关具有更好的瞬发度和可靠性。

4 结论

本文提出了引信触发开关动态特性优化方法。该方法分别通过ANSYS/LS-DYNA有限元仿真和实验验证两种手段对安装机电引信的弹丸侵彻木质靶板过程进行研究，得到了不同结构形态触发开关着靶过程中的动态特性。仿真和实验结果表明，通过适当地选取电极的形状和尺寸，该开关可以满足以200 m/s垂直侵彻25 mm松木板的情况下开关连通，以250 m/s垂直侵彻3 mm胶合板的情况下开关不连通的设计要求。同时发现调整电极厚度、形状及内部填充三种因素对开关性能影响很大，具体结论如下：

1)外电极厚度越小开关闭合时间越短，因此可以通过调节电极的厚度来改变引信的瞬发度；

2)锥头形状的电极比圆头形状的电极瞬发度更高；

3)电极内部进行填充比空心情况下开关会更快闭合，即实心电极具有更好的瞬发度。