連續高沖擊試驗裝置動態作用過程仿真研究

李飛胤，馬少杰，張 合

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

侵徹彈藥高速侵徹多層硬目標過程中，其引信機構及控制組件將承受侵徹過程所產生的連續高沖擊載荷作用，該力學環境既是彈體及引信機構必須能夠有效經受的力學載荷，也是引信控制系統計層識別與起爆控制的關鍵輸入參量，因此，引信組件在研發、生產過程中需進行苛刻的短間隔連續高沖擊力學試驗?，F有的侵徹引信實驗室高沖擊試驗手段主要以落錘、擺錘、空氣炮、霍普金森桿等單次沖擊試驗裝置為主，通過重復加載實現連續沖擊，不但沖擊頻率難以滿足要求，且沖擊幅值與間隔也存在較大散布；而對于多層硬目標侵徹引信的苛刻連續高沖擊測試，通常僅可依賴于靶場試驗方法，存在周期長、費用高等顯著問題，現有測試手段的不足促進了實驗室連續高沖擊試驗技術的探索與研究。

為有效實現工程應用中所需的連續高沖擊測試，國內外眾多專家學者嘗試了多種不同原理的沖擊加載方法。Wellinger等提出了多個自由落體跌落加載的連續沖擊試驗方法；劉國慶設計了采用凸輪-彈簧式加載的臥式沖擊疲勞試驗機；何玲等研制了滾子凸輪加載的槍械自動機關鍵件沖擊疲勞試驗裝置；宋林森等設計了可用于武器系統瞄準裝置強度試驗的電液伺服連續沖擊系統。上述研究極大地豐富了現有的連續高沖擊試驗手段，但在所能實現的沖擊幅值和沖擊頻率上仍然存在著較大的局限性，難以滿足多層硬目標侵徹引信的實驗室苛刻短間隔高幅值連續沖擊試驗需求。

本研究立足于多層硬目標侵徹引信短間隔連續沖擊試驗的技術需求，針對現有試驗手段的不足，設計了一種新型的旋轉式連續高沖擊試驗裝置，介紹了試驗裝置的主要構成及工作原理，基于ANSYS/LS-DYNA研究并建立了試驗裝置主要結構的有限元仿真模型，在此基礎上對關鍵力學作用過程進行了仿真分析，并與沖擊試驗結果進行了對比驗證。

2 連續高沖擊試驗裝置構成及工作原理

本文提出的連續高沖擊試驗裝置總體設計方案如圖1所示，該試驗裝置主要由旋轉加載子系統，沖擊子系統，進給/回退子系統和控制子系統組成。旋轉加載子系統主要包括大質量轉臺，沖擊組件，調速電機及傳動裝置，其中大質量轉臺為試驗裝置的主體結構，其邊緣設計有20組高強度旋轉自退讓沖擊組件，依靠轉臺的旋轉實現沖擊加載；考慮到結構強度和支撐裝置承重需求，將轉臺臺面沿徑向方向設計為“凹”型結構，其中結構強度要求較高的轉軸及圓周部位設計較厚，而臺面中間部位相對設計較薄，并對稱切割出若干組圓環，減輕轉臺總重。沖擊組件是進行沖擊加載的直接作用機構，主要由旋轉自退讓沖擊頭，沖擊頭座和沖擊轉軸3部分構成，沖擊頭通過沖擊轉軸安裝在沖擊頭座上，轉臺旋轉時，沖擊頭在離心力作用下垂直于轉臺圓周，沖擊發生后，沖擊頭繞軸旋轉退讓出碰撞工位，并隨即快速恢復至初始狀態，通過該沖擊組件退讓與自恢復的方式，有效解決了常規連續沖擊方法中沖擊頻率的限制，且直接碰撞接觸作用也保證了沖擊幅值滿足需求。調速電機及傳動裝置為沖擊加載提供動能，控制電機轉速即可實現不同時間間隔的沖擊。沖擊子系統主要包括立方體基座，沖擊夾具和緩沖機構。沖擊夾具設計為圓柱筒體結構，內裝測試件，安裝在立方體基座內，底部由緩沖機構提供支撐，并通過頂部的蓋板進行運動限位。進給/回退子系統包括液壓站、液壓缸和“L型”承載滑軌，液壓站為液壓機構的動作提供液壓源，通過液壓缸的進給/回退控制沖擊的發生與停止，液壓缸的活塞部件與立方體基座外殼體通過圓柱鉸鏈結構安裝，可為連續高沖擊載荷下的結構位移與振動提供一定的緩沖，加固設計的“L型”承載滑軌提供被沖擊機構的運動限位?？刂谱酉到y實時監控系統工作狀態，并執行各項動作指令。

1.轉臺; 2.沖擊組件; 3.傳動裝置; 4.調速電機; 5.控制子系統; 6.沖擊夾具; 7.立方體基座; 8.緩沖機構; 9.液壓進給機構; 10.液壓站

根據方案設計，概述連續高沖擊試驗裝置的主要工作流程，試驗開始前，沖擊子系統位于初始工位，與旋轉自退讓沖擊頭之間存在有一定的距離間隔，因此無碰撞接觸作用；試驗時根據沖擊間隔需求設定電機轉速，電機啟動后經由傳動裝置帶動大質量轉臺旋轉加速，由于轉臺系統質量較大，因此通常需給定較長的加速過程，并通過轉臺上的光電編碼器實時獲取轉速并反饋至控制系統；當轉臺加速至設定轉速后，控制子系統使能液壓機構將沖擊子系統進給至沖擊工位，高速運動的沖擊頭依次與沖擊夾具發生碰撞接觸作用，實現對試件的連續高沖擊加載；試驗結束后，液壓機構回退，停止沖擊，隨后制動轉臺，回收測試樣品，完成連續沖擊試驗。

通過上述原理和工作過程分析可知，試驗裝置的沖擊動力學響應是其關鍵性能指標，不但直接關系到裝置自身的結構可靠性，也影響到試驗效果的評估，由于該動力學響應依賴于沖擊對的碰撞作用產生，考慮到碰撞過程的高動態特性，試驗手段難以對實際作用過程和結構狀態進行詳細有效地分析，針對該問題，引入基于ANSYS/LS-DYNA的數值方法是輔助試驗裝置關鍵力學作用過程分析的有效技術手段。

3 簡化試驗裝置有限元建模

根據設計方案，提取連續高沖擊試驗裝置主要結構建立簡化仿真模型，模型中將沖擊頭座與轉臺進行合并，以減少接觸對數量提高求解效率；并且，對采用螺紋安裝為一體的沖擊夾具結構同樣進行合并。在不影響系統動力學特性的前提下，刪減一些非必要零散結構并進行進一步的幾何清理，提高網格劃分質量，簡化后的連續高沖擊試驗裝置主要結構模型如圖2所示。根據方案設計，配置直接沖擊接觸結構的材料為65 Mn，其他非直接沖擊接觸結構的材料為45 Steel；此外，由于大質量轉臺自身的形變有限，且不直接承受碰撞接觸作用，并非本研究中力學作用分析關注的重點，因此仿真中將轉臺設置為剛體，進一步提高仿真效率。

圖2 簡化試驗裝置主要結構模型示意圖

根據連續高沖擊試驗裝置中存在的主要接觸關系，分別定義20組旋轉自退讓沖擊頭與沖擊夾具，沖擊頭與沖擊頭座以及沖擊夾具與立方體基座內側面的摩擦接觸；此外，考慮到設計方案中沖擊頭碰撞后的旋轉自退讓特性，選擇沖擊頭座通孔為目標面，沖擊頭通孔為參考面，為每組沖擊頭與沖擊頭座之間添加轉動副，實現特征運動關系的定義。

在綜合考慮計算精度和求解效率的基礎上，對連續高沖擊試驗裝置不同部件配置不同的網格劃分方案，其中直接接觸結構的旋轉自退讓沖擊頭、沖擊夾具和立方體基座網格劃分較密，而大質量轉臺主體等非作用部位則采用較大的網格尺寸，最終生成單元數量279 434，節點數量64 482。根據實際運動特征，約束轉臺其他方向的自由度，保留軸方向的轉動自由度，并給定轉臺轉速1 000 r/min，此外，為立方體基座添加位移運動，在0.06 s內將立方體基座進給至沖擊工位，完成上述設置后，生成計算k文件。在本文研究仿真分析中，由于仿真總時長有限，為有效抑制仿真中轉臺突然加速導致的沖擊頭擺動問題，在k文件中另行添加綁定約束，并設置失效時間=0.05 s，即在沖擊發生前釋放該綁定約束，以有效實現沖擊頭的碰撞退讓和自恢復運動特征。完成上述設置后，將k文件遞交LS-DYNA求解。

4 仿真結果分析

4.1 等效應力分析

仿真獲得簡化試驗裝置關鍵沖擊部位的等效應力云圖分別如圖3和圖4。從其中可以看出，轉臺旋轉過程中，初始狀態下沖擊頭受離心力影響垂直于轉臺圓周，碰撞發生后，沖擊頭旋轉退讓，經一段時間的擺動振蕩后恢復初始狀態。由于仿真中將轉臺設置為剛體，因此轉臺部位無應力分布，主要沖擊應力集中在沖擊頭與沖擊夾具的碰撞接觸部位，并且沖擊頭與沖擊頭座的旋轉連接部位也存在較高應力；此外，由于實際沖擊接觸位置并非位于沖擊夾具徑向中心，且受結構間隙影響，不可避免的會引起沖擊夾具與立方體基座內側面的碰撞作用，導致立方體基座側壁也產生了接觸應力，并以接觸側及其對向部位的應力數值較高。

圖3 簡化試驗裝置應力云圖

圖4 關鍵沖擊部位應力云圖

連續沖擊過程中沖擊夾具上的最大應力時域曲線如圖5所示。圖5中0～0.06 s對應于沖擊夾具的進給過程，此時不發生碰撞接觸，因此無應力產生；0.06～0.15 s為沖擊作用過程，此時在沖擊夾具上產生了周期特征清晰的序列脈沖，脈沖峰值的波動較大，與沖擊夾具在立方體基座內的位置及運動狀態有關。連續沖擊過程中沖擊夾具上的最大應力主要集中在350～550 MPa范圍內，但部分情況下會出現高幅值脈沖，最高應力峰值638 MPa，上述應力幅值在65 Mn的屈服強度容許范圍內，并在極短的時間內發生，因此較少次數作用下不會出現明顯的結構變形及損傷，但較多次沖擊試驗或長期使用時則需注意及時檢查更換。

圖5 沖擊夾具最大應力時域曲線

4.2 動力學分析

仿真獲得沖擊夾具上的沖擊力時域曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，連續沖擊在沖擊夾具上產生了間隔特征清晰的沖擊力脈沖，由于沖擊試驗初始階段存在沖擊夾具的進給過程，此時沖擊接觸不完全，因此沖擊力幅值相對較低，并隨著進給量的增加而增大；當沖擊夾具進給到位后，沖擊力幅值趨于穩定，但仍存在一定程度的波動，該現象的出現與連續沖擊作用下沖擊夾具在立方體基座內的復雜運動狀態有關，由于緩沖機構的存在，使得每次沖擊時沖擊夾具的空間位置、速度大小、運動方向等均存在隨機性，導致沖擊力峰值出現波動。圖中主要連續沖擊力幅值大于500 000 N，根據牛頓第二定律，該沖擊力可在沖擊夾具上產生不小于12 000的沖擊加速度。

圖6 沖擊夾具沖擊力時域曲線

5 試驗

基于設計的實物樣機開展驗證試驗研究，結合沖擊試驗裝置控制柜搭建的試驗測量平臺如圖7所示。試驗中設定轉臺轉速1 000 r/min，并采用加速度傳感器回收沖擊試驗數據，獲得的加速度傳感器輸出結果如圖8所示。

圖7 沖擊試驗測量平臺實物圖

圖8 連續沖擊試驗加速度曲線

從圖8中可以看出，連續沖擊試驗中沖擊夾具上獲得了脈沖特征清晰的連續沖擊加速度，沖擊加速度峰值存在一定波動，平均加速度幅值12 000，該試驗結果與仿真結果基本較為一致；相比較于仿真結果，試驗加速度除了沖擊作用過程的高幅值脈沖外，還包含有逐漸衰減的振蕩加速度，這是由于機械結構受沖擊作用后的結構響應振動所導致的?？傮w來看，本研究中的仿真結果與試驗測量結果基本吻合，有效驗證了有限元仿真建模方法及結果的正確性。

6 結論

1) 提出并設計了一種新型的旋轉式連續高沖擊試驗裝置，克服了現有連續沖擊試驗方法中沖擊幅值與沖擊頻率難以同步匹配的不足，可滿足短間隔高幅值連續沖擊試驗的技術需求。

2) 建立了試驗裝置主要結構的有限元仿真模型，仿真獲得了試驗裝置關鍵力學作用部位的應力分布和沖擊夾具的動力學響應，驗證了建模方法和仿真結果的正確性。通過仿真與試驗的對比分析可知，試驗手段僅可獲得有限的動力學響應信息，而結合數值仿真方法則可更詳細的揭示完整動態作用過程狀態信息，實現材料特性的分析和結構強度的校核等，對試驗裝置的性能分析和設計優化具有重要的指導意義。

本文中的沖擊試驗裝置可獲得脈沖特征清晰的連續加速度響應，該連續脈沖加速度與典型多層硬目標侵徹過程的沖擊加速度具有較好的相似性，可有效應用于多層硬目標侵徹引信的結構強度校核和起爆控制策略驗證；此外，該試驗裝置也可擴展用于一些苛刻連續高沖擊作用下的結構件考核測試，豐富了現有的動態力學試驗手段，研究結果具有較好的科學意義和工程實用價值。