婁文忠，李昕哲,3，馮恒振*，何博，蘇文亭，呂斯寧，李志鵬

引信在長(zhǎng)期貯存下老化行為的仿真模擬與分析

婁文忠1,2，李昕哲1,2,3，馮恒振1,2*，何博1,2，蘇文亭1，呂斯寧1，李志鵬1

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120； 3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

厘清某型引信在貯存14 a后的失效模式，研究溫度周期性交變對(duì)引信及其薄弱零件的影響。利用ANSYS workbench軟件，建立基于時(shí)間硬化的蠕變仿真方法。以某型引信為研究對(duì)象，開展周期性溫度交變的蠕變仿真，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)物的對(duì)比分析，找出薄弱零件，分析其老化失效模式。在每個(gè)周期內(nèi)環(huán)境溫度循環(huán)條件下，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為14 a，結(jié)果顯示，引信整體蠕變應(yīng)變率超過1%，平均壓緊應(yīng)力下降21%，松弛穩(wěn)定性變?nèi)酰芊庑栽谝欢ǔ潭壬献儾?。其中，引信電機(jī)外殼、電機(jī)扇葉、底部線路對(duì)接板為薄弱零件，容易發(fā)生失效行為。引信貯存在典型西南濕熱環(huán)境14 a后，周期性溫度交變應(yīng)力將導(dǎo)致引信出現(xiàn)缺陷，缺陷集中在電機(jī)外殼、電機(jī)扇葉、底部線路對(duì)接板處，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)這些部位進(jìn)行防護(hù)。

引信；長(zhǎng)期貯存；蠕變仿真；老化行為；薄弱零件；溫度交變

引信是武器系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，它的設(shè)計(jì)和功能決定了武器的終端效應(yīng)。通過感知目標(biāo)或其他信息，并適時(shí)引爆彈丸或戰(zhàn)斗部，引信能夠確保武器系統(tǒng)與目標(biāo)的有效對(duì)抗[1]。為了確保引信的可靠性和作用過程中性能及其性能參數(shù)的穩(wěn)定性，它們通常經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量控制程序。對(duì)于軍事應(yīng)用，引信需要具備很高的可靠性和安全性，以確保在各種環(huán)境條件下都能正常工作。作為一次性使用產(chǎn)品，引信的貯存可靠性受到各方關(guān)注。貯存可靠性是指引信在規(guī)定貯存條件下和規(guī)定貯存時(shí)間內(nèi)保持規(guī)定功能的能力，它作為強(qiáng)制性指標(biāo)，列入國(guó)軍標(biāo)《裝備可靠性維修性參數(shù)選擇與指標(biāo)確定要求——彈藥》之中[2]。我國(guó)幅員遼闊，南北溫差大，南方倉(cāng)庫(kù)夏天溫度可達(dá)70 ℃以上[3]。溫度的交替循環(huán)變化，使引信材料熱脹冷縮[4]，長(zhǎng)期貯存在這種環(huán)境下的引信，失效率高，會(huì)出現(xiàn)瞎火、過早炸等危害安全性的問題[5]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)引信長(zhǎng)期貯存后的薄弱易失效零件的研究主要是通過自然貯存試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)。郭華等[6]通過步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，開展了引信貯存壽命評(píng)估研究，評(píng)估其壽命為20.1 a。李道清等[7]通過對(duì)某型無線電引信開展了長(zhǎng)貯步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，得出研究引信在30 ℃條件下貯存年限不小于15 a，其中起爆鉭電容是該引信的薄弱零件。張福興等[8]通過對(duì)彈上電子產(chǎn)品開展10 a的自然貯存試驗(yàn)，分析了其產(chǎn)生故障的主要原因?yàn)殚L(zhǎng)期的環(huán)境應(yīng)力致使生產(chǎn)工藝問題擴(kuò)大。以上對(duì)引信長(zhǎng)貯失效的研究都是基于試驗(yàn)完成的，而環(huán)境試驗(yàn)不僅耗費(fèi)人力財(cái)力，而且現(xiàn)代引信更新?lián)Q代速度快，往往試驗(yàn)還沒完成，試驗(yàn)引信就已經(jīng)淘汰了。因此，急需發(fā)掘模擬仿真手段對(duì)引信的長(zhǎng)貯失效進(jìn)行分析，然而目前國(guó)內(nèi)還沒有通過有限元仿真模擬溫度交變環(huán)境對(duì)引信的影響研究。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文以貯存在某西南地區(qū)邊防倉(cāng)庫(kù)的某型中大口徑迫彈引信為研究對(duì)象，通過溫度交變的蠕變仿真，基于Ansys Workbench軟件，使用蠕變時(shí)間硬化數(shù)學(xué)模型，按照當(dāng)?shù)叵募緜}(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度為75 ℃，其他四季平均溫度為30 ℃，以年為單位，仿真時(shí)間設(shè)定為14 a。計(jì)算14 a后，引信的蠕變應(yīng)變和應(yīng)力情況，再結(jié)合真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析引信在貯存14 a后的薄弱部件及失效模式，為預(yù)測(cè)引信長(zhǎng)期貯存壽命和分析引信失效模式提供理論依據(jù)。

1 蠕變失效機(jī)理與蠕變仿真方法

1.1 蠕變失效機(jī)理

蠕變是指固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。在溫度周期性變化產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，材料容易發(fā)生蠕變疲勞導(dǎo)致失效[9]。

蠕變應(yīng)變的發(fā)展可以劃分為3個(gè)階段，如圖1所示。在第一階段，蠕變應(yīng)變大小具有時(shí)間相關(guān)性，而從曲線斜率變化可知，蠕變速率和時(shí)間具有負(fù)相關(guān)性。這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變硬化和應(yīng)變恢復(fù)會(huì)相互對(duì)抗，隨著應(yīng)變?cè)黾?，相互?duì)抗的力度也會(huì)增加。在第二階段，蠕變速率維持平衡狀態(tài)，這是蠕變硬化率和恢復(fù)率相互對(duì)抗平和的結(jié)果，這個(gè)階段涉及到擴(kuò)散蠕變機(jī)制。第三階段，材料內(nèi)的缺陷繼續(xù)擴(kuò)大，蠕變恢復(fù)明顯慢于蠕變硬化，導(dǎo)致蠕變速率快速增加，并且失效迅速擴(kuò)展[10-11]。因此，材料的蠕變形變?cè)诤暧^上表現(xiàn)為裂紋和裂孔等失效形式。

圖 1 蠕變過程

交變應(yīng)力指隨時(shí)間周期性變化的應(yīng)力。在循環(huán)的應(yīng)力中，當(dāng)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力都處于恒定狀態(tài)，這種應(yīng)力被稱為“穩(wěn)定交變應(yīng)力”。穩(wěn)定交變應(yīng)力首先引起材料原子晶格中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的積累導(dǎo)致微小裂紋的形成，這些微小裂紋沿著結(jié)晶變化方向擴(kuò)展，最終形成宏觀意義上的裂紋[12-13]。

1.2 蠕變本構(gòu)模型

1）金屬蠕變模型。單軸應(yīng)力狀態(tài)下各向同性材料的蠕變應(yīng)變[14]表示為應(yīng)力、時(shí)間和溫度的函數(shù)：

其中，Bailey-Norton模型[15]可以表征蠕變應(yīng)變與時(shí)間和應(yīng)力的關(guān)系：

此外，蠕變表現(xiàn)為一種熱激活現(xiàn)象，即蠕變變形受到激活能的影響[16-17]。因此，蠕變應(yīng)變和溫度的計(jì)算表達(dá)式為：

綜合式（1）～（3），得到金屬材料蠕變本構(gòu)模型：

2）非金屬?gòu)?fù)合材料蠕變模型。連續(xù)非金屬聚合物基復(fù)合材料各向異性，用混合率模型來表示其蠕變行為[18]。假設(shè)復(fù)合材料在單軸應(yīng)力作用下具有一定的串、并聯(lián)關(guān)系[19]，則可得到其蠕變本構(gòu)模型：

冪律模型用于宏觀物理現(xiàn)象，認(rèn)為單向纖維復(fù)合材料不同纖維方向上的蠕變變形規(guī)律均可用時(shí)間指數(shù)函數(shù)的形式來表示[20]。

式中：0為初始蠕變?nèi)崃浚?、均為材料參?shù)，與環(huán)境溫度和材料的特性有關(guān)。

3）復(fù)合時(shí)間硬化蠕變模型，是描述蠕變應(yīng)變與溫度、應(yīng)力、時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合上述金屬和復(fù)合材料的蠕變模型[21]，可以得出具體表達(dá)式：

1.3 實(shí)例計(jì)算

某西南地區(qū)邊防某倉(cāng)庫(kù)貯存的某型引信主要由鋁合金和工程塑料2種材料構(gòu)成。貯存時(shí)，整個(gè)引信由鋁制密封袋密封保存了14 a，出倉(cāng)后外觀檢查，密封袋密封性無異常，說明引信干燥性良好。開包5個(gè)后，發(fā)現(xiàn)其中1個(gè)引信的電機(jī)外殼有裂紋出現(xiàn)，實(shí)物部分如圖2所示。該西南地區(qū)為南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，空氣潮濕。由于當(dāng)時(shí)倉(cāng)庫(kù)條件簡(jiǎn)陋，不具備恒溫條件，夏季平均氣溫為38 ℃，倉(cāng)庫(kù)屬密閉環(huán)境，室內(nèi)溫度可達(dá)75 ℃左右，冬春秋倉(cāng)庫(kù)氣溫回緩，平均氣溫在30 ℃左右[22]。其貯存環(huán)境條件剖面如圖3所示。

圖2 貯存在某西南地區(qū)的某引信部分實(shí)物

圖3 貯存環(huán)境剖面

1.4 仿真計(jì)算流程

建立的產(chǎn)品全模型如圖4所示。模型外部由0.12 mm鋁制密封袋包裹，頭部由鋼制保護(hù)罩保護(hù)風(fēng)帽不受損。整個(gè)產(chǎn)品主要分成3個(gè)部分，上部包括風(fēng)帽、電子頭、灌封電路板和一些塑料外殼；中部有4顆螺釘連接到下殼體，內(nèi)部包括渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)底部固連線路對(duì)接板，板上安裝擊針；下部分包括安全與解除隔離裝置和外殼。

圖 4 某型引信模型

為了獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，保證結(jié)果準(zhǔn)確性，同時(shí)確保收斂性和合理的計(jì)算時(shí)間，整體采用高平滑六面體網(wǎng)格，如圖5所示。全局網(wǎng)格最大單元邊長(zhǎng)5 mm，最小單元邊長(zhǎng)2 mm，單位網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.802 3，網(wǎng)格縱橫比為3.778 6。該網(wǎng)格質(zhì)量適用于當(dāng)前仿真計(jì)算。

圖5 網(wǎng)格劃分

某型引信上各構(gòu)件的材料類型見表1，材料的熱特性[23]參數(shù)見表2，該材料參數(shù)來源為ANSYS workbench數(shù)據(jù)庫(kù)。材料蠕變特性參數(shù)[24-25]見表3。

表1 各構(gòu)件的材料類型

Tab.1 Material types for each component

表2 材料的熱特性參數(shù)

Tab.2 Thermal characteristic parameters of materials

表3 材料蠕變特性參數(shù)

Tab.3 Creep characteristic parameters of materials

為了模擬倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，并簡(jiǎn)化計(jì)算，作出如下設(shè)定，如圖6所示。初始環(huán)境溫度設(shè)為22 ℃，4 000 s后溫度到倉(cāng)庫(kù)常溫30 ℃，這用于模擬引信最初被放置進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)時(shí)環(huán)境的變化。30 ℃維持21 600 000 s（250 d），升為75 ℃，維持7 776 000 s（90 d），這用于模擬西南地區(qū)夏季高濕熱特性，常年夏季倉(cāng)內(nèi)溫度能達(dá)到70 ℃以上?？傆?jì)340 d（約為1 a）為1循環(huán)，循環(huán)14個(gè)周期。螺釘在該溫度下幾乎不發(fā)生變形，設(shè)置為固定支撐面。

2 結(jié)果及分析

運(yùn)用ANSYS workbench軟件模擬了上述引信貯存在某典型西南濕熱環(huán)境倉(cāng)庫(kù)14 a的時(shí)間里，由于溫度交變而發(fā)生的蠕變變形。外界溫度為30、75 ℃時(shí)，引信的溫度擴(kuò)散情況如圖7所示?？梢钥闯觯瑥耐饨?0 ℃轉(zhuǎn)變?yōu)?5 ℃和外界75 ℃轉(zhuǎn)變?yōu)?0 ℃時(shí)，溫度從外界擴(kuò)散至引信內(nèi)部至飽和的時(shí)間為2 500 s，而每個(gè)恒溫周期為29 376 000 s。這說明在1個(gè)周期內(nèi)的2個(gè)階段，溫度轉(zhuǎn)換所花時(shí)間相對(duì)恒定溫度貯存時(shí)間很短，轉(zhuǎn)換過程中的溫度變化引起的形變突變可忽略不計(jì)，引信主要產(chǎn)生的形變由恒定溫度下的蠕變應(yīng)變導(dǎo)致。

圖7 溫度交變擴(kuò)散圖

引信在14 a的循環(huán)中，總形變變化量大的集中在中間塑料外殼、渦輪電機(jī)上端和發(fā)動(dòng)機(jī)下部固連的線路轉(zhuǎn)接板，如圖8所示。引信整體平均壓緊應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況如圖9所示?？梢钥闯?，引信整體的平均壓緊應(yīng)力值隨時(shí)間的增加正逐漸變小，從開始的957.22 MPa減小為756.54 MPa，下降為原來的21%，故可知產(chǎn)品的松弛穩(wěn)定性變?nèi)?，密封性在一定程度上可能變差。由螺釘或銷子連接的各部分的緊合程度可能會(huì)變小，若壓緊應(yīng)力小于預(yù)緊壓力，各部分組件的緊合處可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)縫，引信的起爆功能可能會(huì)受到影響，比如爆炸序列傳熱到下一級(jí)時(shí)，能量通過細(xì)縫溢出，導(dǎo)致下一級(jí)接收能量不夠等。

由圖10可以看出，引信整體的蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間增加而增加。14 a后，引信蠕變應(yīng)變率增加至1.014 9%。由于蠕變變形屬于塑性變形，據(jù)此可認(rèn)為材料持久強(qiáng)度尤其是持久塑性在14 a后下降了1.014 9%。從云圖中還可以看出，應(yīng)變主要集中于引信的電機(jī)外殼，這與實(shí)物圖中電機(jī)外殼產(chǎn)生狹小裂紋相吻合。

圖 8 引信總形變?cè)茍D

圖9 引信平均壓緊應(yīng)力

圖10 引信蠕變應(yīng)變率

引信底部線路對(duì)接板（含擊針）的蠕變情況如圖11a～圖11c所示?？梢钥闯觯?4 a的時(shí)間，線路對(duì)接板發(fā)生了蠕變變形，板底有向下凹陷趨勢(shì)。由于線路對(duì)接板上固連著發(fā)火擊針，這可能導(dǎo)致該引信作戰(zhàn)時(shí)，發(fā)火擊針戳擊角度發(fā)生變化，不能正對(duì)發(fā)火雷管，導(dǎo)致瞎火等問題。線路對(duì)接板的平均壓緊力和蠕變應(yīng)變率變化情況如圖11d、e所示，可以看出，線路對(duì)接板與發(fā)動(dòng)機(jī)底座平均壓緊力由24 MPa下降至20.8 MPa，下降了約原來的13.3%，線路對(duì)接板蠕變應(yīng)變率上升為0.03%，線路對(duì)接板材料強(qiáng)度有所降低。電機(jī)14 a的蠕變情況如圖12所示，應(yīng)力主要集中在渦輪電機(jī)扇葉尖端和底座與線路對(duì)接板固連處，平均壓緊應(yīng)力下降為原來的12%，蠕變應(yīng)變上升0.028%。

圖11 引信電機(jī)底部線路對(duì)接板老化情況

圖12 引信電機(jī)老化情況

3 結(jié)論

1）引信在某典型西南地區(qū)貯存14 a后，隨溫度周期性交變會(huì)產(chǎn)生蠕變變形。整體仿真結(jié)果表明，該引信貯存14 a后容易失效的薄弱零件為電機(jī)塑料外殼、渦輪電機(jī)上端和發(fā)動(dòng)機(jī)下部固連的線路轉(zhuǎn)接板。

2）在貯存期間，引信的蠕變應(yīng)變率呈周期性上漲，14 a時(shí)間引信整體蠕變應(yīng)變率上升1.014 9%，壓緊應(yīng)力呈周期性下降，14 a下降21%。應(yīng)變主要集中于電機(jī)外殼，這與實(shí)物電機(jī)外殼產(chǎn)生狹小裂紋的缺陷相吻合。

3）其他薄弱零件的仿真結(jié)果顯示，線路對(duì)接板與發(fā)動(dòng)機(jī)底座的平均壓緊力由24 MPa下降至20.8 MPa，下降了約原來的13.3%，線路對(duì)接板蠕變應(yīng)變率上升為0.03%。電機(jī)的應(yīng)力主要集中在渦輪電機(jī)扇葉尖端和底座與線路對(duì)接板固連處，平均壓緊應(yīng)力下降為原來的12%，蠕變應(yīng)變上升0.028%。

4）薄弱零件的材質(zhì)為工程塑料和環(huán)氧樹脂，建議防護(hù)方法：嚴(yán)格控制溫濕度保存條件；對(duì)老化部位在達(dá)到規(guī)定材料年限時(shí)，及時(shí)更換。

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Simulation and Analysis of Aging Behavior of Fuzes under Long-term Storage

LOU Wen-zhong1,2, LI Xin-zhe1,2,3, FENG Heng-zhen1,2*, HE Bo1,2, SU Wen-ting1, LYU Si-ning1, LI Zhi-peng1

(1. School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Chongqing Innovation Center, Beijing Institute of Technology, Chongqing 401120, China; 3. Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to clarify the failure mode of a certain type of fuze after 14 years of storage, and to study the effect of periodic temperature alternation on the fuze and its weak parts. A creep simulation method based on time hardening was established with ANSYS workbench. With a certain type of fuze as the research object, the creep simulation of periodic temperature alternation was carried out. According to the simulation calculation results, the weak parts were found and the aging failure mode was analyzed. Under the cyclic condition of ambient temperature in each cycle, the simulation time was set to 14 year. The results showed that the overall creep strain rate of the fuze exceeded 1%, the average compressive stress decreased by 21%, the relaxation stability became weaker, and the sealing became poor, among which the fuze motor housing, motor fan blade and bottom line docking plate were weak parts and were prone to failure behavior. After the fuze is stored in a southwestern hygrothermal environment for 14 years, the periodic temperature alternating stress will lead to defects in the fuze, and the defects are concentrated in the motor shell, motor fan blade and bottom line docking plate. Therefore, these parts should be protected.

fuze; long-term storage; creep simulation; aging behavior; weak parts; temperature alternation

2023-06-27；

2023-08-09

National Natural Science Foundation of China Youth Fund (62304022); 2022-2024 China Association for Science and Technology Innovation Integration Society Consortium Young Talent Sponsorship Project (2022QNRC001)

TJ430.89

A

1672-9242(2023)10-0056-08

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.007

2023-06-27；

2023-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（62304022 ）； 2022-2024年度中國(guó)科協(xié)創(chuàng)新融合學(xué)會(huì)聯(lián)合體青年人才托舉工程（2022QNRC001）

婁文忠, 李昕哲, 馮恒振, 等. 引信在長(zhǎng)期貯存下老化行為的仿真模擬與分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 56-63.

LOU Wen-zhong, LI Xin-zhe, FENG Heng-zhen, et al. Simulation and Analysis of Aging Behavior of Fuzes under Long-term Storag[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 56-63.

責(zé)任編輯：劉世忠