应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验_李睿成.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报 收稿日期：作者简介：李睿成（），男，陕西汉中人，硕士研究生。应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验李睿成，徐蓬朝，王森，梁统，黄惠东（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 ；西北工业大学机电学院，陕西 西安 ）摘要：针对目前机电引信内部传爆序列隔爆可靠性研究的不足，提出应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验方法。该方法将感度试验兰利法与逐渐解除隔离试验相结合，通过正态分布参数对爆轰传递概率与隔离件运动位移关系进行拟合，计算任意刺激值对应的引信作用概率。仿真数据与试验结果表明，应用兰利法的逐渐解除隔离试验方法理论计算值与仿真数据、试验结果相近，该方法可在小样本条件下对引信传爆序列隔爆性能做出评估，可用于指导机电引信隔爆机构与传爆序列设计。关键词：机电引信；逐渐解除隔离试验；感度试验；兰利法中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言引信是弹药发火作用的先导装置，安全性和可靠性是引信尤为重要的两项性能指标。目前国内针对引信火工品感度的研究主要集中于引信解除保险距离领域，缺乏对引信内部传爆序列隔爆可靠性的研究。国外针对引信传爆序列的隔爆性能研究早已展开并形成了标准文件。是对引信及其相关部件的性能评估标准，首次在国内提出了逐渐解除隔离试验，为引信传爆序列隔离件位置与安全性能评估提供了方法依据，但国军标中仅推荐了用于引信逐渐解除隔离试验的方法，包括概率单位法、兰利（）法、一次使用变换响应法（）和勃罗西登法等。上述文献表明，目前国内尚未对逐渐解除隔离试验的方法进行深入研究。针对国内研究不足的情况，本文提出应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验方法。感度试验兰利法 兰利法概述兰利法是 年由 提出的一种数理统计方法，可看作是一次刺激变换响应法（）的特例，最初用于对 响应点对应的刺激量进行估计。兰利法的试验序列是变步长的，刺激量步长跟随试验进程不断调整，使得试验刺激量很快收敛于感度分布的均值附近，适合小样本量试验。兰利法通常假设感度分布服从正态分布，通过估计正态分布参数进而估计任意刺激值对应的响应概率或任意响应点。兰利法对于样本均值的估计受初始估计值的影响较小，但对方差的估计结果则偏低。文献 中给出了兰利法服从正态 分 布 和 分 布 的 方 差 估 计 偏 量 修 正系数。兰利法试验程序首先需要选择试验上、下极限，使得刺激量为上限时全响应、为下限时无响应。以刺激量进行第一次试验，记录和响应数，或分别表示不响应或响应。其中的公式为 （）。（）对于后续试验，用刺激量完成第次试验并记录后，观察是否满足试验终止准则。若满足则试验终止，若不满足则进行第次试验。刺激量 的计算公式为 （），（）式（）中，为第次试验的刺激量；为计算中间值（确定方法：从第次试验的响应数开始，依次向回观察，中和的个数，当计到时第一次出现相同数量的和，则；若数至仍未出现相同数量的和，当时，当时，）。试验需要选择一个终止准则，通常选用的终止准则有：）完成预定的试验量，应不少于；）预定试验结果序列中出现响应与不响应转换的次数，转换次数应不少于。此外在达到预定终止条件后，还需通过数据记录表，查找对应的最小刺激量，作为；查找对应的最大刺激量，作为。若 ，计算区间（，）中刺激量的个数，试验完成；若 ，未产生混合结果区，应增加第次试验，将新数据加入数据记录表中，以作为新的值，并修正 和 的值，直到 成立，有混合结果区出现，求出，试验完成。应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验方法 兰利法与机电引信相结合按照解除隔离过程中隔离件的运动形式，可将机电引信传爆序列机构分为平动式和转动式。两种结构传爆序列在解除隔离过程中均能较为直接地确定爆炸元件之间的相对位置。对于平动式传爆序列，可将试验主要变量设置为隔离件解除隔离过程中的位移，通过增大或减小这一位移，使爆炸元件相互靠近或远离；对于转动式传爆序列，可将试验主要变量设置为两级爆炸元件以及机构旋转轴线所成夹角，通过减小或增大这一夹角，使爆炸元件相互靠近或远离。可对引信传爆序列机构进行适当加工，使其在不影响爆轰传递的前提下便于将爆炸元件固定在某一位置。根据兰利法的试验程序设置每次试验的刺激量进行试验，观察引信在见证板上产生的痕迹对爆轰传递情况进行判断。依据 ，传爆序列爆轰传递到隔离件后的任一爆炸元件，并在见证板上产生凹痕，则定义为传递；爆炸元件的烧焦、碳化、金属融化、穿透和变形仅记录结果，不认为产生传递。试验达到预先设定的终止准则并满足试验完成条件后，试验结束。针对机电引信的兰利法逐渐解除隔离试验流程如图所示。探 测 与 控 制 学 报图基于兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验流程 兰利法试验数据处理方法依据对感度分布模型类的假设，分别进行数据的统计分析。试验假设机电引信解除隔离试验中，爆轰传递与隔离件运动位移的关系服从正态分布，对应的数据统计分析方法如下：）总体参数和基于试验数据，；，；、；、计算 （），（）（）（）。（）对如下方程组进行求解，（）式中，（），（），（）（），（），（）。求得式（）的解和，若满足，（）则停步，进而计算?，（）?。（）若不满足式（），则令，（），（）并重新计算式（），直到满足式（）。总体分布的估计量公式为?，（）?，（）式中，为估计值的偏量修正系数。）响应点的估计?，（）式（）中，为（，）的分位数。）响应概率的估计刺激量为时，响应概率的估计计算公式为?（?），（）式（）中，为（，）的分布函数。仿真及试验验证本文采用的机电引信传爆序列隔离装置为平动式滑块机构，盖板和导爆管壳的材料为钢，滑块和基座的材料为铝合金，盖片的材料为铜，雷管采用 电 雷 管，导 爆 管 装 药 为 ，药 量 ，密 度 为 ，其 结 构 如 图 所示。图引信传爆序列结构示意图 李睿成等：应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验在引信解除隔离的过程中，导爆管随滑块在基座上移动，传爆序列由错开运动到直列状态，此时各爆炸元件之间没有隔爆件且呈直线排列，引信处于待发状态，如图所示。图传爆序列由完全隔离位置到直列位置的变化 仿真计算 机电引信传爆序列仿真模型根据试验中使用的机电引信的结构及材料特点，对其传爆序列进行了三维建模及网格前处理。为简化计算量，采用对称模型进行仿真，并对结构部分不影响爆轰传递的结构特征（如螺栓）进行了简化，网格数量总计 。机构的仿真模型如图所示。图机电引信传爆序列机构网格模型 仿真选用多物质 算法，建立空气网格进行流固耦合计算，将雷管和空气域网格定义为 网格，其余部分为 网格。滑块、基座和指示靶材料为铝合金，在仿真过程中使用的本构模型为 ；盖板和导爆管壳材料为钢，导爆管盖片材料为 铜，选 用 本 构 模 型 为 和 ；空气的本构模型为 和 。各类材料参数如表表所示。表铝合金 材料参数 （）表主要材料 模型参数 材料（）（）钢 铜 表空气材料模型参数 （）（）电雷管主要装药为 炸药，选用 作为雷管装药材料模型，作为其爆轰产物状态方程，其参数如表所示。表炸药 模型主要参数 （）（）探 测 与 控 制 学 报对导爆管装药 选用 点火增长模型进行计算，材料模型为 ，状态方程采用 ，本文使用的 炸药点火增长模型参数如表所示。表 的点火增长模型主要参数 未反应物质参数反应产物参数反应速率常数 仿真结果分析将滑块处于完全隔离位置定为位置，将滑块直列位置定为 位置。对隔离装置滑块位移分别为、和 三种情况进行了仿真计算，在导爆管药柱区域选取沿轴线分布的、六个单元作为观测点，用以观察爆轰传递过程中导爆管装药参数的变化情况，如图所示。通过观察导爆管装药内部压力变化以及装药单元反应度参数变化情况，判断导爆管装药是否被引爆。图导爆管内部观测点分布情况 图、图为传爆序列直列位置的情况下导爆管药柱在雷管起爆后的压力及反应度变化情况。在传爆序列直列位置，导爆管药柱各观测点压力峰值的最小值为观测点，出现于 时，峰值为 ；其余各观测点压力峰值均超过 。各观测点在 后反应度均已达到，表明此时药柱内部沿轴线均已完全起爆。图直列位置导爆管装药内部压力 时间曲线 （）图直列位置导爆管装药反应度 时间曲线 （）图、图为位移 时导爆管药柱在雷管起爆后的压力及反应度变化情况。位移 时，各观测点压力峰值最大值仅为 ，远小于爆轰传递状态下的压力峰值。各观测点的反应度也远小于。李睿成等：应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验图位移 时导爆管装药内部压力 时间曲线 （）图位移 时导爆管装药反应度 时间曲线 （）图、图 为位移 时导爆管药柱在雷管 起 爆 后 的 压 力 及 反 应 度 变 化 情 况。位 移 时，观测点和的压力峰值分别为 和 ，但反应度均在 内达到；但观测点、和 的压力峰值均超过了 ，且反应度也均在 内达到；观测点在计算终止时刻 时还尚未出现压力峰值，反应度数值也未有变化，说明导爆管药被引爆，但是爆轰波在 时尚未传递到观测点的位置。对比种 隔 爆 装 置 位 移 的 仿 真 结 果 可 以 发现，装药在正常起爆情况下，炸药内部的压力峰值能够稳定超过 ，炸药绝大多数单元的反应度都能达到。在传爆序列直列位置下仿真 得 到 的 压 力 及 反 应 度 变 化 情 况 与 位 移 时的情 况 类 似，即 导 爆 管 药 柱 起 爆；而位移 时压力和反应度参数的变化情况表明此时药 柱未起 爆。针对 本文 使 用 的 机 电 引 信传爆序列机构，已解除隔离位置在滑块位移 之间。图 位移 时导爆管装药内部压力 时间曲线 （）图 位移 时导爆管装药反应度 时间曲线 （）试验及统计分析 试验流程机电引信隔离装置沿直线运动的位移为本试验的主要变量，故将位移作为试验的刺激量。将滑块处于完全隔离位置定为 位置，将滑块直列位置定为 位置。通过兰利法确定每次试验的刺激量，使用精度为 的游标卡尺对试验装置内滑块的位置进行测量，并以螺栓固定。实际试验使用的引信传爆序列实际结构如图 所示。图 试验引信传爆序列机构实物 探 测 与 控 制 学 报试验时将引信机构放置在铝合金指示靶上，靶厚为，试验装置如图 所示。图 试验装置 最终试验总数，存在混合结果区（，）。在爆轰传 递 的 情 况 下，指 示 靶 上 形 成 了 直 径 的通孔；在爆轰未传递的情况下，指示靶上仅形成烧灼痕迹或轻微变形。典型痕迹如图、图 所示。图 指示靶典型痕迹（爆轰传递）（）图 指示靶典型痕迹（爆轰未传递）（）试验数据的统计分析兰利法逐渐解除隔离试验的试验数据记录如表所示。）样本总体参数的计算根据 节中的计算方法，求得兰利法试验得到的爆轰传递概率分布的样本均值和方差分别为?，（）?。（）表 基于兰利法的引信逐渐解除隔离试验数据记录 试验次数刺激量响应数中间值 ）已解除隔离位置的确定根据式（）、式（）和式（），计算得到 置信度下使得爆轰传递到隔离装置后下一元件的概率达到 对应的滑块位移为?。（）传爆概率的计算根据式（）、式（）和式（），分别对滑块位移 和 时爆轰传递的概率进行计算：?（）?，（）?（）?。（）将试验得到的爆轰传递概率分布模型与仿真结果进行对比，通过试验数据计算得出的已解除隔离位置为滑块位移 处，这与通过仿真结果李睿成等：应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验推得的已解除隔离位置（滑块位移 ）结论相符合。这说明基于兰利法的机电引信逐渐解除隔 离 试 验 方 法 具 有 一 定 的 准 确 性。但 是 在 位移时仿真得到的结论是导爆管药柱完全起爆，而通过试验结果计算得到的结论是 位移时导爆管药柱完全起爆的概率为 ，这一差异可能由试验测量误差累计效应引起。根据兰利法试验数据可作试验结果分布图，并可通过曲线拟合得到机电引信爆轰传递概率相对隔离件位移的函数图形，如图 所示。图 估计爆轰传递概率相对隔离件位移函数图 结论本文提出应用兰利法的机电引信逐渐解除隔离试验方法，该方法将感度试验兰利法与逐渐解除隔离试验相结合，通过正态分布参数对爆轰传递概率与隔离件运动位移关系进行拟合，计算任意刺激值对应的引信作用概率。仿真数据与试验结果表明，应用兰利法的逐渐解除隔离试验方法理论计算值与仿真数据、试验结果相近，该方法可在小样本条件下对引信传爆序列隔爆性能做出评估，可用于指导机电引信隔爆机构与传爆序列设计。本文不足之处：兰利法在进行感度分布估算时存在对方差估计偏小的问题，在小样本量情况下可能存在估算的解除隔离位移与实际情况有偏差。后续可对兰利法的统计分析过程进行改进，进一步修正其对样本方差的估计偏差，以提高分布估计的准确性。参 考 文 献：，：，西安机电信息技术研究所 引信及引信零部件环境与性能试验方法：北京：国家军用标准出版发行部，刘宝光 敏感性数据分析与可靠性评 北京：国防工业出报社，王雨时 感度用数理统计试验方法测定引信解除保险距离问题 分 析 北 京 理 工 大 学 学 报，（）：田玉斌，王典鹏，房永飞 火工品发火点估计方法比较研究含能材料，（）：叶美凤 引信解除保险距离数理统计试验方法理论与仿真研究南京：南京理工大学，闻泉，王雨时引信解除保险距离兰利法试验模拟研究 兵工学报，（）：严楠，田玉斌，蔡瑞娇用计算机模拟法对 试验程序的研究爆炸与冲击，（）：袁俊明，张庆明，刘彦炸药感度测试兰利法与升降法比较研究含能材料，（）：北京理工大学应用数学系感度试验用数理统计方法：北京：国防科工委军标出版发行部，：，吴先前，杜特专，黄晨光，等高温高应变率下激光焊接件力学性能研究第十届全国冲击动力学学术会议论文集北京：中国力学学会，：汤铁钢，刘仓理高应变率拉伸加载下无氧铜的本构模型 爆炸与冲击，（）：，（），：，李来福，王雨时，闻泉 传爆距离对传爆管输出威力影响的仿真研究火工品，（）：李硕，袁俊明，刘玉存，等聚黑 的传爆装置冲击起爆实验及数值模拟火炸药学报，（）：探 测 与 控 制 学 报