某导弹惯性敏感装置跌落仿真分析

2014-08-16安彦飞王雨时闻泉

机械制造与自动化 2014年3期

安彦飞，王雨时，闻泉

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

敏感弹道加速度的装置称为惯性敏感装置[1]。当它作为惯性保险机构时，能感应不同的弹道加速度大小和持续时间，从而执行不同的动作(保险或解除保险)。

关于弹药类产品跌落响应特性理论研究、仿真研究和试验研究的文献较多。文献[2]建立了某引信冗余保险系统的跌落冲击动力学模型，仿真分析和试验验证了其在不同落高下跌向不同目标时的冲击响应特性；文献[3]设计了一种引信跌落试验测试装置，并根据弹丸的跌落冲击加速度测试曲线对从不同高度跌落至不同目标时弹丸上的引信惯性部件运动规律进行了仿真分析；文献[4]和[5]通过建模仿真，分析、对比了某惯性保险机构在发射过载和跌落冲击过载两种环境下的动作情况。

本文以一种典型的导弹惯性敏感装置为例，建立了不同跌落目标下冲击响应动态仿真模型，仿真计算结果对该类装置优化设计及勤务处理性能评估有一定参考。

1 某导弹惯性敏感装置结构原理

应用于低发射过载弹药的惯性敏感装置基本结构都是弹簧-质量系统[1]。某导弹惯性敏感装置由惯性体、座体、导杆及惯性簧等组成，可简化为一个单自由度弹簧-质量系统，其物理模型如图1所示。

图1 某导弹惯性敏感装置物理模型

当后坐过载达到临界值2 g时，惯性体沿着贯穿于其中的导杆、压缩惯性簧向下运动至与座体平面接触，释放过载时间识别机构——钟表机构。当惯性体与座体接触时间达到4 s时，钟表机构恰好能保证与之相啮合的隔爆机构解除保险。如果惯性体与座体接触时间<4 s，那么隔爆机构不足以运动至解除保险位置，就会被惯性簧通过惯性体推动恢复至初始装配位置，此时整个装置仍处于安全状态。

2 跌落仿真模型建立

用Solidworks软件建立惯性敏感装置和跌落目标的三维模型，并保存为Parasolid.X_T格式，然后利用ADAMS/View提供的模型数据交换接口，将模型文件导入到ADAMS软件中，设置模型材料特性，并添加相应约束。

由于惯性敏感装置中的惯性簧可直接在ADAMS软件中添加生成，所以在用Solidworks三维建模时，并未画出惯性簧。惯性簧参数由惯性体质量、行程、结构特性以及保险和解除保险性能要求等因素匹配设计。在ADAMS/View中，使用拉压弹簧-阻尼器模型：

(1)

式中:F——弹簧压力(N)；

C——粘性阻尼系数(N·s/mm)；

K*——弹簧刚度系数(N/mm)；

r——弹簧自由高度(mm)；

L——弹簧装配高度(mm)；

P——弹簧预压力(N)。

按照初始设计确定弹簧刚度系数K*=3.16×10-2N/mm，弹簧预压力P=1.36 N。其他按默认值。弹簧两端构件分别为惯性体和座体。

假设惯性敏感装置在重力作用下自由跌落、空气阻力不计。由于勤务处理过程中各种跌落姿态都可能出现，其中垂直跌落时跌落目标对惯性敏感装置反作用力沿其轴线向上，此时惯性体受到的惯性力最大(与座体接触可能性最大)，所以只仿真这一姿态。

惯性敏感装置与跌落目标介质接触模型选用冲击函数模型：

(2)

式中:K——材料接触刚度；

δ——穿透深度；

e——穿透深度指数；

STEP()——阶跃函数；

dmax——最大允许切入深度；

Cmax——对应最大切入深度的最大阻尼值；

根据Hertz接触理论，刚度系数K[6]取决于撞击物体材料和结构形状：

(3)

设置重力方向沿跌落目标法线方向向下，跌落高度1.5 m[7]，求解时间1 s，仿真步数500。惯性敏感装置跌落仿真模型如图2所示。

图2 惯性敏感装置跌落仿真模型

3 仿真结果及其分析

当跌落目标为钢板时，仿真得出的碰撞过程如图3所示。

图3 惯性敏感装置跌落过程

由图3可以看到，惯性敏感装置在0.552 s时开始与钢板接触，0.556 s时跌落产生的惯性力迫使惯性体压缩惯性簧至与座体接触，0.590 s时惯性体在惯性簧抗力作用下恢复至初始状态，0.594 s时惯性点火器反弹离开钢板，之后在0.660 s时与钢板二次碰撞，至0.722 s时静止不动。

通过Adams/Post Processor后处理器查看仿真结果，跌落过程中惯性体受到的惯性力随时间的变化曲线和惯性簧抗力随时间的变化曲线分别如图4和图5所示。

图4 跌落至钢板时惯性体受到的惯性力随时间的变化

图5 跌落至钢板时惯性簧抗力随时间的变化

由图4可知惯性体在0.552 s时接触钢板产生惯性力，经过0.004 s该惯性力迅速增大至峰值18.61 N，再经过0.002 s又迅速降至0。之后出现了几个小的惯性力峰值，且均在0以下，这是由惯性簧抗力推动惯性体碰撞座体顶盖所致。

从图5可知惯性簧抗力在0.552 s之前的预压抗力均为1.36 N，经过0.004 s迅速增大至抗力峰值3.34 N，再经过0.004 s又迅速降至1.73 N，之后缓缓降至初始预压值，即装配位置。

从图4和图5可以看出惯性敏感装置跌落过程中惯性体与座体下端面仅有一次接触，且接触时间较短(0.036 s)，远远小于解除保险所需时间(4 s)，因此垂直跌落环境下惯性点火器中保险机构的保险作用是可靠的。由于惯性敏感装置跌落时所受惯性力以垂直方向为最大，而根据以上仿真分析，该惯性敏感装置不会解除保险，所以在其他各种跌落姿态下，惯性敏感装置都不会解除保险。

跌落目标不同，惯性敏感装置跌落冲击响应特性也不同。分别仿真跌落目标为木板、混凝土、砂土等介质时惯性敏感装置解除保险情况，惯性簧抗力随时间变化如图6所示。惯性体离其下方的座体平面越近，惯性簧产生的抗力越大，由此可知惯性体与座体接触时间长短，从而判定装置是否解除保险。