CN107563106B - 一种基于仿真的高g值宽脉冲冲击波形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，首先明确冲击波指标要求和设计变量，计算蜂窝铝夹芯板中蜂窝铝芯的相对密度；然后根据设计变量建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型进行参数试验，得到不同相对密度的蜂窝铝下加速度随速度变化的曲线；接着拟合不同缓冲材料的侵彻系数得到不同材料的空穴膨胀模型方程，再计算所需的冲击初速以及弹丸运动至每块蜂窝铝夹芯板中点时的速度和加速度，代入不同材料的空穴膨胀模型方程求得每块蜂窝铝芯的相对密度值；最后将相对密度值输入弹丸侵彻减冲击数值试验模型得高G值宽脉冲冲击波形。本发明适用于各种不同标准的冲击波波形设计，设计周期短，设计方法便捷，效率高。

Description

一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法

技术领域

本发明属于冲击试验领域，具体涉及一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法。

背景技术

在军工领域，弹丸在侵彻过程中引信要经历持续时间数毫秒、幅值数万g的高幅值加速度过载，在引信系统的研制过程中，迫切需要一个高g值加速度模拟环境，来考核引信系统等关键部件的工作状态和生存能力，研究其动态响应并验证智能(灵巧)引信的可靠性。在国民经济领域，特别是很多先进工业领域，也要求高幅值的加速度环境。如高速列车的运动分析：特材包装箱在运输过程中异常跌落时缓冲设计的效应分析；汽车模型的碰撞加速度和动态撞击载荷；在航空航天领域，大量的内部器件、二次仪表，面临不同的加速度环境的考核。尤其当飞机失事出现坠机，飞行记录仪会经历强冲击载荷，当防护措施不合理时，易导致元器件损坏数据丢失。英美等国家已经研发出了炮射弹载飞行记录仪试验设备，除了进行小能量校准外，还能提供宽脉冲、强冲击的冲击环境。目前，使受试产品经受强冲击的试验方法是空气炮试验法，利用压缩空气发射弹丸，达到规定速度，冲击缓冲材料，即使弹丸撞击受试产品前的波形发生介质，来实现高G值宽脉冲波形的试验指标。然而此种方法通过两次接触力的传播产生冲击载荷，不仅能量有损失，也不能较为准确的控制冲击波形，在实际操作中有许多局限性。因此对于一定指标的冲击试验环境设计，现阶段需要进行大量试验，耗费高昂，设计周期长，很难满足需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，降低了弹丸的能量损失，提高了冲击波形的控制精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，包括如下步骤：

步骤1、明确冲击波指标要求，冲击波指标要求包括冲击峰值指标、脉宽指标、形状指标；

步骤2、确定设计变量，包括单壁厚边长l，双壁厚边长h，壁厚t，双壁厚T，胞孔角度θ，以及孔深b，并根据设计变量计算蜂窝铝夹芯板中蜂窝铝芯的相对密度；

步骤3、根据设计变量建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型，包括弹丸有限元模型、缓冲材料模型(多层蜂窝铝夹心板有限元模型)、刚性墙模型；

步骤4、对弹丸侵彻减冲击数值试验模型进行参数试验得到不同相对密度的蜂窝铝下加速度随速度变化的曲线；

步骤5、根据不同相对密度的蜂窝铝下加速度随速度变化的曲线拟合不同缓冲材料的侵彻系数，得到不同材料的空穴膨胀模型方程；

步骤6、根据冲击波指标要求计算所需的冲击初速以及弹丸运动至每块蜂窝铝夹芯板中点时的速度和加速度，代入不同材料的空穴膨胀模型方程求得每块蜂窝铝芯的相对密度值；

步骤7、将计算的每块蜂窝铝芯的相对密度值输入弹丸侵彻减冲击数值试验模型中进行计算，得高G值宽脉冲冲击波形。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明采用数值仿真与优化计算相结合的方式，快速设计出指标要求的冲击波形，周期短，效率高；(2)本发明通过调整缓冲材料参数能够适用于各种不同标准的冲击波波形设计；(3)本发明为实际的冲击试验提供了参考和指导，能够避免无效的试验，降低损耗，节省资金。

附图说明

图1为空气炮冲击试验装置示意图。

图2为波形设计流程图。

图3为蜂窝铝芯结构示意图。

图4为弹丸冲击蜂窝铝有限元模型示意图。

图5为冲击波形验证结果图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明方案。

图1为空气炮冲击试验示意图，下面以空气炮冲击试验为例，详细介绍高G值宽脉冲冲击波形设计方法。

图2为本发明的实施流程图，具体步骤如下：

步骤1、明确冲击波指标要求，冲击波指标要求包括冲击峰值指标、脉宽指标、形状指标。

步骤2、确定设计变量，包括单壁厚边长l，双壁厚边长h，壁厚t，双壁厚T，胞孔角度θ，以及孔深b，并根据设计变量计算蜂窝铝夹芯板中蜂窝铝芯的相对密度。图3为蜂窝铝芯结构示意图，可由单壁厚边长l，双壁厚边长h，壁厚t，双壁厚T，胞孔角度θ，以及孔深b来描述，蜂窝结构的相对密度p可由这些参数表征

本例中蜂窝铝基材密度p_s＝2.68g/cm³，蜂窝铝夹芯板蒙皮厚度0.05mm，蜂窝铝芯为双壁厚正六边蜂窝，l＝h＝8mm，θ＝30°，b＝20mm，T＝2t，则

步骤3、根据设计变量建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型，包括弹丸有限元模型、缓冲材料模型(多层蜂窝铝夹心板有限元模型)、刚性墙模型：具体利用LS-DYNA有限元软件建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型，模型如图4所示，多层蜂窝铝夹心板放置在刚性板前，刚性板为固定约束，忽略弹丸行进中空气阻力的影响，以初速V₀正向侵彻蜂窝铝板，弹丸与蜂窝铝建立单面罚函数接触算法，蜂窝铝夹芯板之间建立自动接触，并赋予单元失效条件。本例中弹丸为质量5Kg，直径110mm的圆头弹丸。

步骤4、对弹丸侵彻减冲击数值试验模型进行参数试验得到不同相对密度的蜂窝铝下加速度随速度变化的曲线：具体采用isight平台，根据冲击加速度需求建立16个相对密度水平进行参数试验，得到不同相对密度的蜂窝铝加速度G′随速度V变化的曲线。本例中相对密度范围为0.0096-0.1540，由式p计算公式可得壁厚t的范围为0.05mm-0.8mm。

步骤5、根据不同相对密度的蜂窝铝下加速度随速度变化的曲线拟合不同缓冲材料的侵彻系数，得到不同材料的空穴膨胀模型方程：具体利用最小二乘法拟合材料系数A和B，进而确定空穴膨胀模型，空穴膨胀模型为：

G′·M＝(πd^2)/4(Aτ(p)N₁+Bρ₀V²N₂) (1)

式中，G′为弹丸冲击时的加速度，M为弹丸质量，d为弹丸直径，τ(p)为不同相对密度蜂窝铝的极限应力，ρ₀为缓冲材料密度，V为弹丸冲击时的速度，N₁和N₂为弹丸形状系数。对于圆头弹丸，N₁取1，N₂取0.5，拟合结果如表1：

表1 拟合结果

步骤6、根据冲击波指标要求计算所需的冲击初速以及弹丸运动至每块蜂窝铝夹芯板中点时的速度和加速度，代入不同材料的空穴膨胀模型方程求得每块蜂窝铝芯的相对密度值：设冲击峰值为a，脉宽为b的半正弦冲击波为指标的波形要求，在本例中以a＝3000G′，b＝4ms的半正弦波为指标，则波形关于时间的方程可写为G＝3000G′·sin(π·t/4ms)，推算得到以下结果：

冲击初速为：

速度关于时间的目标函数为：

位移关于时间的目标函数为：

联立式(2)、(3)、(4)可得弹丸运动至每块蜂窝板中点处要求的速度和加速度，如下表2：

表2 V-G′值

将表2中所得到的V-G′值代入不同相对密度蜂窝铝芯的空穴膨胀模型运动方程即式(1)，当误差最小时即求得每块蜂窝铝板所需的材料参数，本例中求得结果如表3：

表3 每块蜂窝铝芯的相对密度值

步骤7：将表3参数输入数值模型中进行计算验证，获得满足设计要求的波形。如图5所示，即为以3000G′为峰值目标，4ms为脉宽目标，以半正弦波为波形目标的冲击波形验证计算结果，波形在容差范围内，满足设计要求。

Claims (5)

1.一种基于仿真的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、明确冲击波指标要求，包括冲击峰值指标、脉宽指标、形状指标；

步骤2、确定设计变量，包括单壁厚边长l，双壁厚边长h，壁厚t，双壁厚T，胞孔角度θ，以及孔深b，并根据设计变量计算蜂窝铝夹芯板中蜂窝铝芯的相对密度；

步骤3、根据设计变量建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型，包括弹丸有限元模型、缓冲材料模型、刚性墙模型；

步骤4、对弹丸侵彻减冲击数值试验模型进行参数试验得到不同相对密度的蜂窝铝芯下弹丸加速度随速度变化的曲线；

步骤5、根据不同相对密度的蜂窝铝芯下弹丸加速度随速度变化的曲线拟合不同缓冲材料的侵彻系数，得到不同材料的空穴膨胀模型方程；

步骤6、根据冲击波指标要求计算所需的冲击初速以及弹丸运动至每块蜂窝铝夹芯板中点时的速度和加速度，代入不同材料的空穴膨胀模型方程求得每块蜂窝铝芯的相对密度值；

步骤7、将计算的每块蜂窝铝芯的相对密度值输入弹丸侵彻减冲击数值试验模型中进行计算，得高G值宽脉冲冲击波形；

步骤2计算蜂窝铝芯相对密度的公式为：

式中，l为单壁厚边长，h为双壁厚边长，t为壁厚，θ为胞孔角度，p为蜂窝结构的相对密度。

2.根据权利要求1所述的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，其特征在于：步骤3利用LS-DYNA有限元软件建立弹丸侵彻减冲击数值试验模型。

3.根据权利要求1所述的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，其特征在于：步骤4采用isight平台，根据冲击加速度需求建立16个相对密度水平进行参数试验，得到不同相对密度的蜂窝铝芯下弹丸加速度G′随速度V变化的曲线。

4.根据权利要求1所述的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，其特征在于：步骤5利用最小二乘法拟合缓冲材料的侵彻系数A和B，进而确定空穴膨胀模型，具体为：

G′·M＝(πd^2)/4(Aτ(p)N₁+Bρ₀V²N₂)

式中，G′为弹丸冲击时的加速度，M为弹丸质量，d为弹丸直径，τ(p)为不同相对密度蜂窝铝的极限应力，ρ₀为缓冲材料密度，V为弹丸冲击时的速度，N₁和N₂为弹丸形状系数。

5.根据权利要求1所述的高G值宽脉冲冲击波形设计方法，其特征在于：步骤6根据冲击波指标要求计算所需的冲击初速的具体方法为：设波形为半正弦冲击波，冲击峰值为a，脉宽为b，冲击波函数为G＝a·sin(π·t/b)，则：

冲击初速为：

速度关于时间的目标函数为：

位移关于时间的目标函数为：

联立以上三式得弹丸运动至每块蜂窝铝夹芯板中点处要求的速度和加速度。

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