白亞瓊，師 平

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安閻良 710089)

0 引 言

由于加工及材料特性等原因，引信體表面及結(jié)構(gòu)內(nèi)部有可能會(huì)出現(xiàn)初始裂紋。本文根據(jù)有限元法和線彈性斷裂力學(xué)的基本理論，依據(jù) SliodWorks和ANSYS軟件，預(yù)測在引信體工作載荷下危險(xiǎn)區(qū)域的裂紋。

爆竹的火藥捻子是最早的引信。引信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：發(fā)火控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、傳爆序列和能源裝置 4個(gè)基本部分。根據(jù)作用原理，引信可以分為觸發(fā)引信、非觸發(fā)引信和時(shí)間引信 3種類型，大都由擊針、火帽、雷管、傳爆藥和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等組成。本文研究的某引信體為觸發(fā)式，彈藥的部位在彈身引信，引信觸發(fā)后碰著物體即起爆。

1 引信體的有限元模型

本文以某彈引信體為例，由于炸藥在引信體結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸情況十分復(fù)雜，必須在實(shí)驗(yàn)條件下對引信體的受力進(jìn)行實(shí)測并找出峰值壓力。在相關(guān)條件缺乏的情況下，假設(shè)從炸藥爆炸瞬間到擊針脫離引信體這一過程中，爆炸未發(fā)生變化，且將子彈從發(fā)射到離開引信體看作勻加速運(yùn)動(dòng)，引信體材料為 45號冷拉圓鋼，HRC45-50，泊松比為 0.309。由于引信體是軸對稱結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)截面所受到的爆破應(yīng)力應(yīng)相等，故進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，取二分之一引信體為計(jì)算區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的尺寸為φ18(彈尾)×φ9.4(彈頭)×3.5(厚度)mm，如圖 1所示。在有限元中采用 Solid45實(shí)體單元，通過自由網(wǎng)格劃分模型。劃分后的引信體如圖2所示。

圖1 引信體三維模型Fig.1 3,D model of a fuze

圖2 引信體網(wǎng)格劃分的模型Fig.2 Meshing mode of a fuze

已知擊針變形時(shí)的最大壓力為160,kg，擊針的出口速度大約為 450,m/s。擊針在引信體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力 f等同于其變形時(shí)受到的壓力。擊針材料為45號鋼，HRC40-45，質(zhì)量為 0.11,g。

擊針在引信體中的加速度：a＝[(vt)2-(v0)2]/2,s＝(vt)2/2,s＝18,925,000，其中初始速度v0為零；

引信體膛內(nèi)氣體壓力為：

F＝ma＝10,500,000,N

引信體膛內(nèi)最大氣體壓強(qiáng)為：

p＝F/S＝24,MPa

不考慮溫度和氣候的影響，引信體的載荷是對稱的，可以取其結(jié)構(gòu)的二分之一進(jìn)行分析。由于要對其進(jìn)行有限元靜態(tài)分析必須限制其自由度，所以引信體所受載荷的工作壓力為 24,MPa，施加于引信體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上。

2 引信體模型應(yīng)力分析

通過對圖3和圖4所示內(nèi)容的分析，可以準(zhǔn)確地確定最大應(yīng)力的值和出現(xiàn)的位置，這些最大值見表1。由圖3和圖4可以看出，在引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)應(yīng)力變形最大，但其并不影響擊針的正常發(fā)射；而引信體前端的變形非常小，此處為引信體的重要部分。如果該部分應(yīng)力超過許用應(yīng)力值就會(huì)產(chǎn)生斷裂，直接影響擊針的正常發(fā)射。

圖3 引信體的最大拉應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of a fuze’s Max. tension stress

圖4中，引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)所受到的等效應(yīng)力最大，此處為引信體的應(yīng)力集中地帶。查閱《合金鋼手冊》，45號鋼的強(qiáng)度極限為 608,MPa。很明顯，引信體等效應(yīng)力大于極限應(yīng)力，因此引信體在爆破應(yīng)力作用下十分容易斷裂。要避免引信體的斷裂，就必須避免此處的應(yīng)力集中情況?？梢酝ㄟ^增大引信體壁厚或調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓角大小，減少引信體受到的爆破應(yīng)力，但這些措施只是初級手段，尚需進(jìn)一步研究。

圖4 依據(jù)第三強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of equivalence stress in accordance with the 3 rd strength theory

表1 引信體的三維模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Stress calculation results of a fuze’s 3,D model

3 結(jié) 論

運(yùn)用 ANSYS對引信體進(jìn)行爆破應(yīng)力分析可知，引信體頸部與放置擊針處之間(圖1標(biāo)注的薄弱區(qū)域)所受的等效應(yīng)力最大，斷裂處從這里開始。因此，要避免引信體發(fā)生斷裂，必須避免應(yīng)力在此處集中，具體措施可以是增大引信體壁厚或調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓角大小。

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