彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標識別方法研究

孫亞杰, 梁 軻, 馬孟新, 牛蘭杰

(西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

戰斗部侵徹多層混凝土靶板過程中,引信要從加速度信號中獲取目標的層數信息,從而控制戰斗部在預定層起爆。在現代戰爭中,各國對地下指揮中心、機庫等高價值目標的防護越來越復雜、堅固,迫使侵徹彈藥速度不斷提高,以達到高效毀傷。但隨著侵徹速度的提高,彈體侵徹多層混凝土靶板的過載信號會出現粘連,這對引信的計層識別能力提出了更高的要求。

侵徹過載信號主要由3部分組成:剛體過載、應力波振蕩形成的彈體結構響應、測試系統的振動和噪聲[1-2]。

文獻[3]～文獻[5]對過載信號進行頻譜分析,認為過載信號主頻與彈體軸向固有頻率接近,但沒有深入研究不同工況對過載信號主頻的影響。文獻[6]～文獻[12]提出對過載信號進行低通濾波、小波分解等,可以消除侵徹過載的層間粘連,但沒有研究濾波截止頻率選取的依據。另外,傳統使用固定閾值的層目標識別方法也難以滿足引信的發展要求。

本文提出彈體侵徹多層混凝土靶板的層目標識別方法:首先對過載信號進行低通濾波得到近似剛體過載;然后根據自適應判層閾值、信號脈寬對近似剛體過載信號進行識別,識別當前層數。

1 彈體模態分析

1.1 一維圓桿軸向振動特性

彈體垂直侵徹時,彈靶作用力會激發出彈體的多種振動模態,使得彈體劇烈振動,主要以軸向振動為主。由應力波傳播理論可知,一維圓桿軸向振動的固有頻率為[13]

(1)

式中:i為固有頻率的階數;C為一維圓桿中彈性縱波波速;L為一維圓桿長度。

1.2 彈體模態分析

采用有限元軟件對彈體進行模態分析,彈長980 mm,彈徑180 mm,材料為38CrMnSiA,主要材料參數[14-16]如表1所示。采用Ansys Workbench建立彈體的有限元模型,如圖1所示。

圖1 彈體模態分析有限元模型

表1 38CrMnSiA材料參數

在不加約束的情況下,對彈體進行模態分析,得到前兩階軸向固有頻率f1=3 027 Hz,f2=5 901 Hz,振型如圖2所示。圖2(a)為彈體的第一階軸向振型,呈現明顯的軸向壓縮變形,彈頭及彈尾變形最為嚴重,是彈體侵徹過程中的主要受力方向,對測試信號做主要貢獻;由圖2(b)第二階軸向振型可以看出,彈頭明顯變粗,彈長變化很小,對測試信號影響不大,同樣,其他高階頻率成分對測試信號影響較小。

圖2 彈體軸向振型

表2為將彈體相關參數代入式(1)計算得到的軸向固有頻率與模態分析得到的軸向固有頻率對比,可以發現兩者前兩階的固有頻率差距均在10%以上。這是因為式(1)在計算時,將真實彈體簡化為理想的一維圓桿,沒有考慮彈頭卵形部等復雜結構。所以本文后續研究采用模態分析得到的固有頻率。

表2 式(1)計算結果與模態分析結果對比

2 不同侵徹工況下過載信號主頻特性分析

2.1 彈體正侵徹兩層靶板的動力學仿真分析

在侵徹動力學仿真中作如下假設:① 彈體和靶板均為密實連續性介質;② 侵徹過程中不考慮溫度效應,不考慮空氣阻力。

彈體、引信材料均為38CrMnSiA,靶板為C40素混凝土,材料參數[14-16]如表3所示。彈體侵徹初速度V=800 m/s。2層靶板靶面尺寸均為2 000 mm×2 000 mm,2層靶板厚度分別為D1=180 mm,D2=180 mm,靶板間隔2 000 mm。采用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真,得到最終時刻靶板破壞圖如圖3所示。彈體穿透靶板留下花瓣形穿孔。

圖3 最終時刻靶板破壞圖

表3 C40混凝土材料參數

提取全彈、引信體過載信號如圖4所示。可以看到全彈過載信號能分辨出2個明顯的包絡,分別為彈頭卵形部侵徹第1層、第2層靶板所引起的剛體過載。進行層目標識別的關鍵就在于得到類似全彈剛體過載的曲線。對引信體過載信號進行頻譜分析如圖5所示,發現過載信號主頻為2 845 Hz,與模態分析得到的固有頻率3 027 Hz接近。由于侵徹速度和阻力會降低彈體的固有頻率,因此過載信號主頻比彈體一階軸向固有頻率f1小。

圖4 全彈、引信體過載(V=800 m/s)

圖5 引信體過載信號頻譜圖(V=800 m/s)

而引信體的過載信號2層之間粘連明顯的原因是,彈體在靶間行進過程中,侵徹第1層靶板的應力波還沒有衰減完,就與侵徹第2層所產生的應力波和剛體過載產生疊加,導致層間過載粘連。針對這種嚴重粘連的過載信號無法直接進行層目標識別。圖6為V=500 m/s時侵徹兩層靶板仿真得到的引信體過載。對比圖4與圖6,可發現隨著彈體侵徹初速度的提高,過載信號會出現粘連現象。

圖6 引信體過載(V=500 m/s)

2.2 不同侵徹工況下過載信號主頻特性分析

為研究過載信號主頻的特性,保持其他條件一致,進行不同工況下的彈體正侵徹兩層靶板動力學仿真,提取引信體過載信號,并對其進行頻譜分析,得到不同侵徹初速度、不同靶板強度、不同靶板厚度下引信體過載主頻與固有頻率f1的對比情況如表4、表5、表6所示。

表4 不同侵徹初速度下引信體過載信號主頻與固有頻率f1對比

表5 不同靶板強度下引信體過載信號主頻與固有頻率f1對比

表6 不同靶板厚度下引信體過載信號主頻與固有頻率f1對比

通過以上算例可知,侵徹過載信號主頻有如下特性:該主頻對侵徹初速度、靶板強度、靶板厚度不敏感;該主頻與彈體軸向固有頻率f1差距在8%以內。

3 彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標識別方法研究

3.1 彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標識別方法

基于過載信號主頻特性,本文提出的彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標識別方法流程圖如圖7所示。基本參數說明:每層判層參數Qn取值范圍[45%,90%],上1層權重系數x取值范圍[0,1],每層靶厚Dn,第1層侵徹初速度V1,其余每層近似侵徹初速度Vn。L1為彈長減去彈頭卵形部長度。

圖7 多層侵徹引信層目標識別方法流程圖

彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層識別方法主要分為2個步驟。

(1) 得到近似剛體過載。首先對彈體進行模態分析得到一階軸向固有頻率,取低于彈體一階軸向固有頻率對過載信號進行低通濾波(要考慮濾波器是否容易實現),把應力波引起的過載信號剔除,得到的信號可認為是近似剛體過載。

(2) 根據自適應判層閾值、信號脈寬對近似剛體過載信號進行識別,識別當前層數。每層識別方法如下。

① 識別第1層。第1層判層閾值為固定閾值C1,一般可設置為一個較低的值以保證可以對首層進行識別。如果識別到脈寬大于(D1/V1),且峰值大于C1的脈沖信號,記此脈沖信號為第1層近似剛體過載。并對此脈沖信號進行積分,即可得到侵徹第1層靶板的近似降速,從而得到侵徹第2層靶板的近似初速度。記第1層近似剛體過載的峰值為a1。在近似剛體過載(彈頭卵形部侵徹靶板過程)后延時t1=L1/V2(彈體沿著靶板上的彈孔前進過程),此時彈尾離開上1層靶板,再進行層標識。

② 識別第2層。第2層判層閾值為自適應閾值C2,取第1層近似剛體過載峰值a1的Q2倍。繼續識別直到出現脈寬大于(D2/V2),且峰值大于C2的脈沖信號,記此脈沖信號為第2層近似剛體過載。并對此脈沖信號進行積分,即可得到侵徹第2層靶板的近似降速,從而得到侵徹第3層的近似初速度。記第2層近似剛體過載的峰值為a2。在近似剛體過載后延時t2=L1/V3,再進行層標識。

③ 識別第3層。第3層判層閾值C3,取前2層近似剛體過載峰值加權平均值的Q3倍,識別方法同第2層。后面每層以此類推,即可識別出當前層數。

以侵徹5層混凝土靶板引信層目標識別為例,判層閾值計算的部分偽代碼如下:

%%提取每層近似剛體過載峰值

a1=max(a(n1_in:n1_out))

a2=max(a(n2_in:n2_out))

a3=max(a(n3_in:n3_out))

a4=max(a(n4_in:n4_out))

a5=max(a(n5_in:n5_out))

%%計算加權平均值

A2=a1

A3=((1-x)*A2+x*a2)

A4=((1-x)*A3+x*a3)

A5=((1-x)*A4+x*a4)

%%計算判層閾值

C1=4000

C2=Q2*A2

C3=Q3*A3

C4=Q4*A4

C5=Q5*A5

3.2 層目標識別方法的可靠性及適用范圍

通過以下算例來驗證本文提出方法的可靠性。

算例1:彈體材料、尺寸與1.2節一致,建立彈體斜侵徹5層靶板有限元模型,如圖8(a)所示,侵徹速度V=900 m/s,靶板強度C40,著角5°,靶厚分別為300 mm(第1層),180 mm(后4層)。如圖8(b)所示,由于是斜侵徹,彈體穿過五層靶板后發生了較大的偏轉。過載曲線如圖9所示,從第2層開始粘連嚴重。

圖8 算例1有限元模型

圖9 算例1引信體過載信號

采用本文層目標識別方法進行識別,已知彈體固有頻率f1=3 027 Hz,采用Butterworth低通濾波器[17],以2 000 Hz為通帶截止頻率,3 000 Hz為阻帶截止頻率對過載信號進行低通濾波,濾波后的信號如圖10所示,可以發現層間粘連過載比濾波前有很大的改善,分層效果明顯,且濾波后的過載信號(近似剛體過載)與全彈剛體過載非常吻合。判層參數Q2取60%,其余層Qn均取75%,上1層權重系數x取0.8,第1層判層閾值取C1=4 000 g,其余層自適應判層閾值如圖11所示,C2=8 677g,C3=8 357g,C4=7 937g,C5=7 421g,層目標識別結果如圖12所示,可以準確識別。

圖11 算例1判層閾值

圖12 算例1層目標識別結果

算例2:彈長1 960 mm,彈徑360 mm,彈體材料為38CrMnSiA,正侵徹10層靶板,速度V=900 m/s,靶板強度C40,靶厚分別為300 mm(第1層),180 mm(后9層)。仿真結束狀態如圖13所示,彈體發生了一定偏轉,過載曲線如圖14所示。模態分析得到彈體的固有頻率為1 474 Hz。以1 000 Hz為通帶截止頻率,1 800 Hz為阻帶截止頻率進行低通濾波,得到的信號如圖15所示。判層參數Q2取45%,其余層Qn均取75%,上1層權重系數x取0.8,第1層判層閾值取C1=2 000 g,其余層自適應判層閾值如圖16所示,C2=2 062g,C3=2 138g,C4=2 120g,C5=1 900g,C6=2 050g,C7=1 855g,C8=1 860g,C9=1 927g,C10=1 854g,層目標識別結果如圖17所示,可以準確識別。

圖13 正侵徹10層靶板結束狀態

圖14 算例2引信體過載信號

圖15 算例2全彈剛體過載與濾波后的過載信號(近似剛體過載)

圖16 算例2判層閾值

圖17 算例2層目標識別結果

為研究本文層目標識別方法的適用范圍,用該方法對不同工況下仿真得到的過載信號進行識別的結果如表7所示(更改3.2節算例1著角、侵徹初速度、靶板層數)。可見,此彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層識別方法適用范圍為:著角不大于10°、侵徹初速度400～900 m/s、靶板層數15層以下。

表7 不同工況下識別結果

4 結論

本文提出了彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標識別方法,仿真表明該方法可為提高引信計層精度提供技術支撐。

① 通過進行不同工況的侵徹仿真,發現隨著彈體侵徹初速度提高,過載信號會出現粘連現象;并得到過載信號主頻與彈體一階軸向固有頻率差距在8%以內這一特性。

② 提出了彈體侵徹多層混凝土靶板的層目標識別方法,首先根據彈體固有頻率對過載信號進行低通濾波得到近似剛體過載,然后根據自適應判層閾值、信號脈寬對近似剛體過載信號進行識別,識別出當前層數。

③ 本文識別方法適用范圍:著角不大于10°、侵徹初速度400～900m/s、靶板層數15層以下。后續還需進行試驗驗證。