缓冲装置设计优化方案

6.4.1.1　冲击隔离原理分析

在数万倍重力加速度的条件下，硬目标侵彻引信要能够完成靶标内及靶标后的可靠起爆，不仅要保证控制电路系统不受到损坏，而且还要保证其能够正常可靠地工作，因此，必须提高引信控制系统的抗高过载能力。

冲击隔离是对引信进行保护行之有效的技术途径之一。其原理为：利用被动缓冲技术，采用适当的缓冲材料和结构对侵彻过程中的冲击信号进行滤波隔离，或对高冲击作用下引信所产生的能量进行吸收储存，将引信所承受的加速度值降低到所允许的极限值以内。

6.4.1.2　缓冲材料及其特征分析

（1）聚四氟乙烯

聚四氟乙烯是氟聚合物的一种，是四氟乙烯的聚合物，于1938年由美国新泽西州杜邦研究室R.J.Plunkett博士发明。聚四氟乙烯具有很强的耐化学腐蚀性和耐候性，不吸潮、不燃，对氧、紫外线极其稳定；对温度的影响变化不大，温域极广，可使用温度为-190℃～260℃；摩擦系数很小，且具有不粘性，在低温下不会变脆。这些特点使得聚四氟乙烯在严苛的环境中具有稳定的力学性能，在适应性上满足侵彻过程中严苛的环境。

聚四氟乙烯的密度为（2.10～2.30）×103kg/m3，较轻；泊松比为0.4；压缩弹性模量为280 MPa；压缩强度为12.9 MPa；冲击强度为2.0 kJ/m3。

（2）泡沫铝

泡沫铝是一种拥有良好的物理性能和机械特性的多功能新型复合工程材料。

在单向压缩载荷下，泡沫铝的应力-应变曲线可以分为3个阶段：孔壁弹性弯曲阶段、孔壁逐渐被压垮的屈服平台阶段和孔壁完全坍塌压实而引起的应力迅速增加的密实化阶段。

在弹性弯曲阶段，泡沫铝单元的孔壁发生弹性变形，应力-应变曲线呈线性增加；在屈服平台阶段，孔壁逐渐进入塑性变形阶段，其表现为应变增大，但应力基本保持不变，大量能量在近乎恒定的应力下被吸收，此特性使得泡沫铝拥有很高的吸能效率；在密实阶段，泡沫铝结构单元被破坏，应力会随应变的增加而迅速上升。(www.xing528.com)

泡沫铝的应力-应变曲线如图6.31所示。

图6.31　泡沫铝的应力-应变曲线

6.4.1.3　缓冲材料模型建立与试验评估

（1）试验模型的建立

利用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA模拟火箭弹侵彻混凝土靶板的过程，获得弹尾引信的加速度曲线。根据设计方案对弹形进行适当简化，弹体的材料选用40Cr，材料模型选用Johnson-Cook模型，弹丸直径为15 cm，高度为60 cm。对引信及其内部零件进行简化，将其简化为一个高为7.5 cm、直径为4.5 cm的圆柱体，材料为铝，选用双线性随动塑性材料（BKIN）模型。混凝土靶板的尺寸为200 cm×200 cm×20 cm，材料选用Holmquist-Johnson-Concrete（HJC）模型。在引信两端分别加载聚四氟乙烯垫片和泡沫铝垫片进行缓冲模拟计算。其中，聚四氟乙烯选用BKIN模型，泡沫铝选用Crushable-Foam模型。

为了更好地进行对比，建立了5种模型。在侵彻模型1中，引信两端未加任何缓冲垫片；在模型2中引信的前后两端分别加3mm和2mm的聚四氟乙烯垫片；在模型3中引信前端加不同厚度的缓冲垫片；在模型4中引信前端分别加上6mm聚四氟乙烯垫片和泡沫铝垫片；在模型5中引信前端加4mm的泡沫铝垫片。弹体与靶板之间采用侵蚀接触，其他采用自动接触。选取弹和引信为研究对象，由仿真得到速度与加速度曲线。

（2）增加缓冲材料的结论

通过比较建立的5种速度与加速度曲线，可以得到：在侵彻的过程中，聚四氟乙烯垫片对应力波的过滤和整形，以及应力波在不同材料交界处的反射或投射，能起到一定的缓冲作用，降低引信的加速度峰值，同时使其加速度曲线平滑。但聚四氟乙烯垫片的缓冲效果随其厚度的变换并不明显，分析后认为聚四氟乙烯的缓冲并不是通过其塑性变形吸收能量来实现的，其缓冲的原理更近似为机械滤波。

泡沫铝因为其独特的多孔结构，并且在屈服阶段存在高且宽的应力平台，能大幅度地吸收能量，从而达到缓冲的效果，其缓冲效果远好于聚四氟乙烯垫片，但必须考虑泡沫铝的厚度及其可承受的应力情况。如果在侵彻过程中，泡沫铝垫片出现压实的情况，引信与垫片之间刚性接触会使得引信出现很高的加速度峰值，从而破坏引信结构，使其失效。在侵彻多层靶板时，如果泡沫铝在弹丸侵彻第一层靶板的过程中被压实，则在侵彻第二层靶板的过程中，不仅会使泡沫铝垫片丧失缓冲效果，还会造成引信的加速度过大。为了保证在穿透多层靶板时，泡沫铝能有效地实现缓冲，就必须增加其厚度。但存在的一大问题是，弹体中的空间有限，泡沫铝能够增加的厚度也是有限的。

经分析可知：聚四氟乙烯垫片更适合于加在引信体外部，通过滤波作用，使应力波峰值下降；而泡沫铝可以加在引信体中，用来对电路进行保护。因为电路的质量很轻，且通过引信外部垫片和壳体的滤波之后较低的应力波不会压实泡沫铝垫片，所以泡沫铝良好的缓冲性能可起到保护引信中电路的作用。