电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法

摘要

本发明涉及电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法，包括以下步骤：步骤一，建立电磁轨道炮有限元模型，获得发射过程中电枢及弹丸的过载加速度曲线；步骤二，建立爆炸箔起爆器有限元模型，应用LS‑DYNA软件计算火工品在力学过载条件下的响应特性；步骤三，总结得到电磁轨道炮发射过程中力学过载效应对爆炸箔起爆器的作用特性规律。该仿真模拟方法利用有限元分析软件仿真计算分析电磁轨道炮发射过程中爆炸箔起爆器在力学过载条件下的响应特性，总结损伤与失效模式，从而为爆炸箔起爆器的加固优化设计提供参考和依据，对提高爆炸箔起爆器的抗高过载性能具有重要的指导意义。

说明书

技术领域

本发明属于电磁炮领域，具体涉及一种电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法。

背景技术

随着战略发展的需要，以及高发射初速的要求和传统火炮存在的局限性，电磁发射技术(EML)应运而生。其中电磁轨道炮是电磁发射装置的主要形式，与传统火炮相比，电磁炮具有弹丸动能大、毁伤能力强、发射初速高、隐蔽性好等诸多优势，因此在军事、航空航天、科研等领域均有着广阔的应用前景。

在电磁发射过程中，存在强磁场、强电场、力、热等复杂物理环境，多物理场耦合作用会影响弹丸及火工品等器件的使用安全性、作用可靠性。在这种复杂环境下，作为弹药首发元件的火工品一旦受损失效或意外爆炸，都将影响到弹药效能的发挥。这在客观上要求必须对火工品在动态载荷条件下的可靠性进行研究，以提高弹药在高冲击过载环境下的作用可靠性。

目前对于火工品和引信等敏感部件的抗过载能力，国内外都逐步加强了侵彻过载的理论和试验研究，一般采用实弹射击、模拟试验和数值仿真等方法开展弹药的抗过载性能研究。但对于发射过程的过载研究仍处于空白阶段，而发射过程中火工品会受到电、磁、热、力等多物理场耦合作用，力学过载效应可能会导致火工品结构变形与损伤、性能失效造成意外发火。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法，能够为爆炸箔起爆器的加固优化设计提供参考和依据，对提高爆炸箔起爆器的抗高过载性能具有重要的指导意义。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法，包括如下步骤：

步骤(1)：建立简化电磁轨道炮有限元模型，设置脉冲电流作为激励源输入，计算获得发射过程中电枢及弹丸的过载加速度曲线；

步骤(2)：建立简化爆炸箔起爆器有限元模型，应用LS-DYNA软件计算火工品在力学过载条件下的响应特性：具体为：根据步骤(1)得到的电枢及弹丸的过载加速度曲线，作为载荷添加到爆炸箔起爆器有限元模型，得到火工品在不同载荷添加状态下的应力-应变曲线及轴向、径向形变量；

步骤(3)：得到电磁炮发射过程中力学过载效应对爆炸箔起爆器的作用特性规律；在80000g、3ms过载条件下，管壳处整体应力较高，能达到778MPa；管壳、电极塞、药柱的轴向径向形变量在0.1％-0.2％范围内。

进一步的，步骤(1)中简化的电磁轨道炮有限元模型由上下导轨及电枢-弹丸组件组成。

进一步的，步骤(2)中简化爆炸箔起爆器有限元模型包括不锈钢火工品座、不锈钢管壳、不锈钢二级药环、HNS-IV一级药柱、HNS-II二级药柱、FX-502一级药环、SU-8加速膛、陶瓷基片、FX-502电极塞、黄铜脚线构件。

进一步的，步骤(2)中建立简化爆炸箔起爆器有限元模型之后还包括以下步骤：对几何模型进行网格划分，定义单元类型和算法，定义材料参数和状态方程，定义接触和边界条件，进行载荷的施加和求解输出结果文件。

进一步的，对几何模型进行网格划分时使用HyperMesh软件进行网格划分，其中管壳、电极塞、脚线、药柱以较细网格划分，其余组件从药环到火工品座由内向外逐渐减少网格数量。

进一步的，定义单元类型和算法具体为：模型中所有三维单元均采用六面体8节点实体单元，采用单点积分算法。

进一步的，定义材料参数和状态方程具体为：管壳和二级药环采用Johnnson_Cook模型，基片采用Johnson_Holmquist_Ceramics模型，加速膛、电极塞和一级药环采用Plastic_Kinematic模型，药柱采用Elastic_Plastic_Hydro模型。

进一步的，定义接触和边界条件具体为：采用面面自动接触算法，使用关键字*CONSTRAINED_GLOBAL对XY平面和YZ平面进行对称约束，使用*BOUNDARY_SPC_SET约束火工品座上底面节点集合所有的平动和转动自由度。

进一步的，进行载荷的施加具体为：采用渐变载荷加载，通过*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET，将加速度-时间曲线施加在火工品座下底面上，对火工品进行y方向加速度加载。

进一步的，求解输出结果文件具体为：单位制采用g-cm-μs，定义计算时间为3000μs，每30μs输出一个结果数据文件

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过仿真模拟观测弹载火工品在电磁炮发射过程中的力学响应情况，基于电磁发射过程中复杂的多物理场耦合作用环境，较为直观准确地得到火工品在80000g、3ms的高过载值高脉宽条件下的应力应变曲线及轴向径向形变量，且相比实验手段成本较低。

(2)本发明通过研究火工品在发射过载条件下的动力学响应特性，基于目前国内外普遍研究侵彻和撞击过载的现状，具有一定创新价值。

(3)本发明通过对电磁轨道炮和爆炸箔起爆器结构进行简化，忽略影响较小及结构复杂的组件建立简化有限元模型，既能保证得到所需组件的响应特性，又能提高准确性、减少运算量，在本发明仿真过程中得到成功验证。

(4)本发明通过采用对重要组件网格加密、对次要组件逐渐减少网格数量的网格划分策略，在保证计算精度的基础上提高了计算效率，且能很好地适应模型运算中出现的变形情况，在本发明仿真过程中得到成功实践。

附图说明

图1为本发明电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法的流程图。

图2为本发明电磁轨道炮简化几何模型的示意图。

图3为本发明电磁轨道炮简化有限元网格模型的示意图。

图4为本发明电磁轨道炮模型输入脉冲电流曲线图。

图5为本发明发射过程中电枢及弹丸的过载加速度曲线图。

图6为本发明爆炸箔起爆器简化几何模型的示意图。

图7为本发明爆炸箔起爆器简化有限元网格模型的示意图。

图8为本发明爆炸箔起爆器管壳内部单元应力-时间曲线图。

图9为本发明爆炸箔起爆器电极塞内部单元应力-时间曲线图。

图10为本发明爆炸箔起爆器HNS-IV药柱长度随时间变化曲线图。

图11为本发明爆炸箔起爆器HNS-IV药柱直径随时间变化曲线图。

附图标记说明：

1-上导轨、2-电枢-弹丸组件、3-下导轨、4-火工品座、5-管壳、6-二级药环、7-二级药柱、8-一级药环、9-一级药柱、10-加速膛、11-基片、12-脚线、13-电极塞。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明基于电磁炮发射中爆炸箔起爆器的过载仿真模拟方法，具体步骤如下：

步骤一，建立简化电磁轨道炮有限元模型，设置脉冲电流作为激励源输入，计算获得发射过程中电枢及弹丸的过载加速度曲线；

步骤二，建立简化爆炸箔起爆器有限元模型，应用LS-DYNA软件计算火工品在力学过载条件下的响应特性；根据步骤一得到的电枢及弹丸的过载加速度曲线，作为载荷添加到爆炸箔起爆器有限元模型，得到火工品在不同载荷添加状态下的应力-应变曲线及轴向、径向形变量。

步骤三，总结得到电磁炮发射过程中力学过载效应对爆炸箔起爆器的作用特性规律。在80000g、3ms过载条件下，火工品各部件所受应力相差较大，在10MPa-1000MPa范围内，其中管壳处整体应力较高，能达到778MPa；管壳、电极塞、药柱等重要部件的轴向径向形变量较小，在0.1％-0.2％范围内，几乎可以忽略。

建立的电磁轨道炮简化几何模型如图2所示，简化有限元模型如图3所示。电磁轨道炮由上导轨1、电枢-弹丸组件2、下导轨3组成，设置脉冲电流作为激励源输入，脉冲电流曲线如图4所示，计算得到发射过程中电枢及弹丸的过载加速度曲线如图5所示。

建立的爆炸箔起爆器简化几何模型如图6所示，模型主要由不锈钢火工品座4、不锈钢管壳5、不锈钢二级药环6、HNS-IV一级药柱9、HNS-II二级药柱7、FX-502一级药环8、SU-8加速膛10、陶瓷基片11、FX-502电极塞13、黄铜脚线12等构件组成。

将几何模型导入Hepermesh进行网格划分，建立的爆炸箔起爆器有限元网格模型如图7所示。

生成k文件并在LS-prepost里完成k文件的编辑，利用LS-DYNA进行求解分析。步骤如下：

1)定义单元类型、材料参数和状态方程；

定义单元类型和算法时，模型中所有三维单元均采用六面体8节点实体单元，采用单点积分算法。定义材料参数和状态方程时，管壳5和二级药环6采用Johnnson_Cook模型，基片11采用Johnson_Holmquist_Ceramics模型，加速膛10、电极塞13和一级药环8采用Plastic_Kinematic模型，药柱7、9采用Elastic_Plastic_Hydro模型。

2)生成PART，定义接触，设置边界约束条件；

定义接触面时，采用适用于大多数情况的面面自动接触算法(*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)，此算法使用最常用的对称罚函数法计算。

设置边界约束条件时，由于选取1/4模型，需要在火工品组件的对称边界面上施加对称约束，使用关键字*CONSTRAINED_GLOBAL对XY平面和YZ平面进行对称约束。使用*BOUNDARY_SPC_SET约束火工品座上底面节点集合所有的平动和转动自由度。对火工品进行y方向速度加载。

3)定义过载加速度曲线，对试件施加载荷；

通过*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET，直接将加速度-时间曲线施加在火工品座底面上，从而实现对爆炸箔起爆器试件进行特定加速度的载荷加载。

4)设置求解相关控制参数；将数据输入文件递交给LS-DYNA求解器进行计算；

模拟发射过程中，单位制采用g-cm-μs，定义计算时间为3000μs,每30μs输出一个结果数据文件。

5)用LS-prepost后处理进行结果分析。

经过计算，得到火工品试件在80000g、3ms过载下的应力应变分布云图和轴向径向产生的形变。

由Von-Mises应力云图可知，火工品试件所受最大应力位于管壳处。管壳外壁的应力由外壁中心逐渐扩散到整个外壁，最大应力部位为管壳上下底部中心和外壁，所以管壳容易在上下底部中心和外壁发生塑性变形。

如图8所示，管壳最大应力出现在t＝180μs时，应力幅值约为778MPa，全程几乎都维持在高应力水平。已知不锈钢的屈服应力为870MPa，未达到屈服极限，说明雷管管壳未发生形变。

开始加载时,电极塞就受到应力脉冲的加载作用，应力波逐步扩散至整个电极塞。电极塞内部单元的应力-时间曲线可以代表整个电极塞所受应力随时间的变化趋势。选取承受较大应力的单元，由图9可知，最大有效应力约为12.6MPa，出现在1.44ms，之后基本维持在同一应力水平上。

在高加速度加载过程中，药柱由于受到应力波加载和电极塞的压缩作用，可能会引起其输出端方向的尺寸变化。在加载过程中，HNS-Ⅳ药柱的长度变化如图10所示，药柱长度由加载前的1.8mm减小到1.797mm，减小幅度约为0.17％。