模拟发射环境下的引信瞬态响应方法

王鹏钊，顾 强，李培英，李世中

(1.中北大学机电工程学院，山西 太原 030051；2.邯郸学院，河北 邯郸 056005)

0 引言

由于引信内弹道环境试验往往需要大量样本才能对其进行有效的考核，想要获取大量样本就必不可少地要进行成百上千的实弹打靶，对于高价值弹药，可能出现研发周期延长或研发费用增加的情况，因此引信发射环境模拟研究是解决上述问题的有效方法之一。

国内已有采用气体炮模拟双环境力[1-3]、电磁驱动模拟双环境力[4-5]为引信发射环境动态模拟试验提供了一种通用平台，或采用炮射模拟测试系统，通过将经典内弹道数学理论[6]与数值仿真相结合的方法以拟合得出装药量与弹丸后坐过载、弹丸转速的函数关系[7-6]，但都限于双环境力约束。

本文针对此问题，提出了以低过载、高价值弹药引信环境模拟的多自变量算法为基础[9-11]，实现以多环境力为约束条件，进行引信发射环境的瞬时动态响应分析，为引信发射环境模拟实验的可靠性分析提供参考。

1 引信模拟发射环境的确定

在模拟发射环境研究的过程中，为研究装填诸元对发射环境的影响，本文直接利用Matlab软件编写代码来模拟发射环境[12-13]，试验弹模拟的引信发射环境曲线如图1所示。

图1 试验弹发射环境Fig.1 The environment of the test bomb launch

根据图1可知，试验弹的膛压范围30～180 MPa，炮口临界速度范围600～800 m/s，后坐过载峰值为6 000～7 000g。

2 试验弹建模及网格划分

使用SolidWorks 2018软件建立试验弹的简化模型如图2所示，将其导入ANSYS Workbench软件并选定材料参数，如表1所示。

图2 试验弹简化模型Fig.2 Simplified test bomb model

表1 材料种类和性质

通过对比不同网格划分方式进行网格划分。通过MeshMetric中的ElementQuality功能来分析网格划分的质量，当图3中网格系数越趋近0.85时，网格划分数量越多、质量越好，故最终选用智能划分网格的方式，如图4所示。

图4 试验弹引信网格划分Fig.4 Meshing of test bomb fuze

划分网格数量越多对仿真结果的结算越精准，但因计算机性能对结算时间和结果影响较大，网格一旦划分较小便会出现仿真错误的现象，故合理的划分网格既充分利用了计算机性能又能得出较精准的仿真结果。综合考虑，最终选取Element Metrics为1来进行后续分析。

3 试验弹发射环境动态响应分析

对试验弹进行模拟发射的瞬态动力学仿真分析和谐波响应分析，观察试验弹引信在发射环境模拟中的动态响应情况。

3.1 瞬态动力学分析

观察该模型在施加要求的载荷与约束后，目标弹模型仿真分析的结果能否与处于该载荷下目标弹的其他诸元相吻合，以确定该简易模型能够较为准确地反映目标弹引信在发射环境中的状态。

对目标弹模型弹底施加目标弹发射环境要求，并且弹丸在膛内时随时间变化的膛压以及转速载荷，并限制目标弹在径向的位移，建立瞬态动力学仿真分析条件。载荷施加完成后，调整分析系统的各个参数，将分析模式改为按时间为进度的模式，将图1中的时间横坐标等分为20个时间帧，每个单独的时间帧中进行两步分析，得到一共40个时间步长的目标弹轴向、整体速度图以及应力应变曲线图，如图5所示。

图5 瞬态动力学仿真分析Fig.5 Simulation analysis of transient dynamics

由图5中曲线可知，该模型在施加了发射环境载荷的状态下能够准确地再现目标弹在膛内的动态情况，其速度、加速度趋势及大小满足目标弹的真实情况，其应力应变也都处于材料能够承受的范围内，因此该模型能够满足代替目标弹进行仿真的要求，对其仿真可以一定程度地反映目标弹的各种动态响应。

3.2 模态与谐波响应仿真分析

观察试验弹引信在发射环境中的固有频率范围，既为谐振响应分析提供仿真前期必要条件，也为试验弹的设计提供参考。谐振响应仿真分析主要观察试验弹引信在膛压载荷下的振动响应，为试验弹动态响应特性分析提供参考对象，如图6、图7所示。

图6 模态响应云图Fig.6 Modal response cloud

图7 各典型膛压下的谐振响应Fig.7 Resonance response under various typical bore pressures

选取五个膛压数据点，作为谐振响应仿真的施加载荷，从而可解算出引信在试验弹中轴向位移、径向位移和轴向速度的响应幅值。

经过模态仿真以及谐振响应仿真分析可得：实弹在选取的五个膛压点下的径向、轴向位移和轴向速度的振幅随振动频率的变化情况，组成整个试验弹引信的动态响应特性。

3.3 试验弹与目标弹引信仿真对比分析

将引信安装在试验弹时的动态响应与安装在目标弹上时的发射环境进行比对，分别观察引信在试验弹弹头、弹中、弹中后和弹尾时的响应状态。结果显示引信安装在试验弹弹尾部时仿真曲线与目标弹发射环境的动态响应最为相似，基本达到与目标弹发射环境一致的要求，如图8所示。引信安装于弹尾时三维简化模型如图9所示。

图8 引信置于弹尾时响应对比图Fig.8 Comparison of the response of the fuze when it is placed at the tail

图9 引信置于弹尾时三维简化模型Fig.9 Simplified three-dimensional model when the fuze is placed at the tail

4 结论

本文提出了模拟发射环境下的引信瞬态响应方法。该方法使用ANSYS WORKBENCH进行建模与网格划分，进行瞬态动力学分析、模态与谐振响应仿真分析。试验验证结果表明，该试验弹模型代替目标弹进行仿真分析具有可行性，标定试验弹模拟发射环境并明确引信在不同装定位置的特性差异，为引信模拟试验及性能测试提供了方法。