高速侵徹多層目標引信過載信號層間粘連特性

張洪瑞,牛少華

(北京理工大學機電動態控制重點實驗室,北京 100081)

0 引言

計層起爆是侵徹彈藥打擊多層建筑物、艦船等多層目標所采用的主要起爆模式之一,引信計層識別的準確性是實現精確起爆的關鍵因素之一。目前,計層識別主要是通過獲取彈體在侵徹目標時的過載來判別其穿層情況。但是,通過安裝于引信內的加速度傳感器所感測的過載信號成分復雜,不僅包含了彈體在侵穿靶板時的沖擊過載,還疊加了由應力波、彈-引連接結構等引入的干擾信號。隨著侵徹彈體長度增大以及侵徹速度的提高,過載信號的復雜性也大大加強,呈現出穿層信號與層間信號的粘連現象,導致侵徹引信無法準確地判斷侵徹層數。

目前,國內外學者對彈體內部傳感器獲取的過載信號的粘連問題進行了大量研究,文獻[1]指出信號粘連是由于加速度傳感器信號中彈體剛體過載和振動響應兩種成分在時間上粘連在一起所導致的現象,其粘連形式可分為時間串聯和時間并聯粘連。由于剛體過載的時間較短,與彈體振動響應不同步,振動響應信號滯后于剛體過載信號,但在時間上連續,從而形成時間串聯粘連。時間并聯粘連是由于彈丸穿靶過程較長,振動響應信號與剛體過載信號同時發生,而產生的一種并聯關系。文獻[2]對多層侵徹過載信號粘連的成因進行分析,提出當侵徹阻力的頻率與彈-引系統的固有頻率接近時,傳感器獲取的加速度信號將出現粘連,并將過載信號分為不粘連、時域粘連和時頻域粘連三種情況。此外,對于粘連信號處理方法也是研究熱點,粘連信號處理方法分析主要集中在加速度信號濾波算法設計上,如低通濾波算法[3]、小波分解算法[4-5]、奇異值分解[6]、積分及自相關運算[7-8]等。

關于多層侵徹加速度信號的粘連問題,學者大都集中在粘連機理、濾波算法方面的研究,針對彈體自身參數及環境因素影響對內部傳感器信號粘連程度的影響研究較少。鑒于此,本文建立彈體侵徹5層混凝土靶板數值計算模型,對高速侵徹多層目標引信過載信號層間粘連特性進行討論分析。

1 侵徹引信過載信號粘連機理

侵徹引信過載信號粘連是指彈體高速侵徹多層硬目標時,引信內部加速度傳感器獲取的過載信號層與層之間相互混疊,沒有明顯的穿層特征信號,無法準確識別侵徹層數。

目前,彈體高速侵徹多層目標引信過載信號粘連現象已經被廣泛認可。學者們從傳感器感應、應力波衰減、引戰諧振、彈體結構響應等不同角度,對侵徹引信過載信號粘連問題進行了深入分析,揭示了侵徹引信過載信號產生粘連的原因是彈體在高速侵徹多層目標的過程中,受到的沖擊力瞬間快速變化,從而激發出沖擊應力波。這種應力波沿著彈體的軸向進行傳播、反射,并與行進波相互疊加,造成彈體在侵徹每一層靶板時,加速度傳感器所感知到的過載信號上疊加了應力波傳播振蕩的信息,從而形成了粘附過載信號中的高頻成分。彈體在相鄰兩層靶板間行進過程中,應力波仍在振蕩尚未衰減完畢,因此導致相鄰兩目標層之間的過載彼此粘連,沒有明顯的穿層特征信號[9]。

此外,學者們研究發現侵徹引信過載信號的粘連與彈體的瞬時應變率、侵徹彈體的外形、彈體侵徹初速度以及彈體在相鄰兩層目標之間自由飛行的時間等因素密切相關[10-11],并得到定性的分析,但是目前尚未給出各因素對信號粘連響應的量值驗證,也未對信號層間粘連特性進行深入研究。

2 侵徹引信過載信號層間粘連特性

2.1 數值模型及驗證

對于數值仿真分析,所建模型的合理性是保證計算結果可信的關鍵。首先以某模擬試驗彈-引系統為對象,建立其侵徹多層混凝土靶板數值仿真模型,并將仿真結果與試驗結果進行對比,驗證該本構模型與材料參數的可靠性,為開展不同著靶姿態的仿真分析奠定基礎。

2.1.1材料模型

彈體材料選用可以較好描述高溫、高壓、高應變率下材料行為的Johnson-Cook(簡稱J-C)本構模型表征,材料參數如表1所示。并使用基于沖擊絕熱線建立的Mie-Gruneisen狀態方程對金屬材料在大應力情況下的行為特性進行描述,即

表1 JOHNSON_COOK材料參數Tab.1 JOHNSON_COOK material parameters

(1)

式(1)中,P和E為受壓縮固體材料的壓力與內能,ρ0和C為材料的初始密度和初始聲速,S1、S2、S3、γ0、a為Gruneisen常數。其相關參數取值選用文獻[12]中給出的參數。參數μ由以下公式確定：

(2)

式(2)中,ρ為受壓縮固體材料的密度。

混凝土靶板采用HJC模型,但該本構模型只是在模擬混凝土的壓縮失效方面具有較為理想的效果,在拉伸失效方面的描述不足,僅依靠HJC模型自帶的失效參數FS控制混凝土材料的失效,彈體會發生嚴重畸變,甚至導致計算終止[13],故而添加最大主應變失效準則來模擬混凝土失效,并根據參考文獻[15—16]進行定義,混凝土模型材料參數如表2所示。傳感器模塊、裝藥材料模型均采用PLASTIC_KINEMATIC本構模型,模型材料參數如表3所示。

表2 HJC模型材料參數Tab.2 HJC material parameters

表3 PLASTIC_KINEMATIC模型材料參數Tab.3 PLASTIC_KINEMATIC material parameters

2.1.2模型驗證

基于2.1.1節的本構模型和材料參數,對試驗彈進行1∶1建模,彈體為截卵形戰斗部,質量m為1 220 kg,彈體外徑D為460 mm,彈體長度L為2 200 mm,頭部質心系數為0.53,彈頭的曲率半徑與彈體直徑之比(簡稱CRH)約為3.0。彈體模型如圖1所示。彈體外殼材料為38CrMnSiNi2A,彈體由外部殼體、主裝藥、引信座、引信、壓螺等主要部分組成。對力學響應比較復雜部位(引信體、引信座、壓螺及彈體卵形部)網格精細劃分,彈體內部裝有與炸藥等質量的裝藥采用自由接觸算法(*Contact_Automatic_Surface_To_Surface),引信體與引信座之間由螺紋連接,螺紋連接處采用固連連接算法(*Contact_Tied_Surface_To_Surface),引信座由壓螺與彈體外殼固定,壓螺與引信座和引信外殼之間均采用固連連接算法(*Contact_Tied_Surface_To_Surface)。引信模塊材料為7A04Al,質量為2.5 kg。引信座材料為TC16Ti。

圖1 彈體數值仿真模型圖Fig.1 Numerical simulation model of projectile

靶板為C40混凝土,形狀為正方形,靶板的尺寸為1 848 mm×1 848 mm,第一層厚度為300 mm,從第二層開始均為180 mm靶板,間距均為3 m,對靶板采用局部加密的方式劃分網格如圖2所示。

圖2 局部靶板網格圖Fig.2 Local target grid diagram

為了節省計算成本,只對戰-引系統和混凝土靶板進行了二分之一的建模,同時,調整靶板位置,使得彈體侵徹軌跡始終位于靶板網格加密處。為了保證計算精度,戰-引系統及靶板均采用八節點六面體單元劃分網格。混凝土靶板設置為無反射邊界,以忽略邊界的影響。彈體與靶板之間采用侵蝕接觸算法(*Contact_Eroding_Surface_To_Surface)。計算模型每10 μs輸出一個數據點。

試驗與仿真中彈體均以790 m/s的速度,10°初始入射角非正侵徹12層C40混凝土板。將數值模擬獲得的引信過載信號與試驗測得加速度信號進行對比,如圖3所示。

圖3 引信過載信號對比Fig.3 Fuze overload signal comparison

通過對比可以得出,侵徹多層靶板有限元模型引信過載曲線與試驗中引信過載曲線的信號粘連情況、過載變化情況等近似,驗證了本文所建立的有限元模型的準確性和可靠性。同時,在確保該有限元模型可以反映侵徹多層靶板工況下引信結構的動力學響應特性的條件下,以此有限元模型為基礎,分析彈體以不同初始入射角、攻角侵徹多層混凝土靶板對引信過載響應特性的影響并給出其影響規律。

2.2 侵徹引信過載信號層間粘連特性分析

基于所建立的有限元模型,對彈-引系統在不同初始條件下侵徹多層目標時的過載信號層間粘連特性進行了深入研究和分析。

彈體初始著靶姿態包括初始入射角及攻角,其中彈體初始入射角α為彈體中心軸線與靶板表面外法線的夾角,初始攻角φ為彈體中心軸線與彈體初始侵徹速度方向的夾角。圖4為彈體侵徹姿態示意圖,其中V表示彈體初始侵徹速度的方向,θ為靶板表面外法線與水平線的夾角。

圖4 彈體侵徹姿態示意圖Fig.4 Condition of penetration

為了深入研究彈體侵徹初速度、初始入射角及攻角對高速侵徹多層目標引信過載信號層間粘連的影響,引用參考文獻[16]中提出的侵徹引信加速度信號的評價指標中的層間干擾系數來對粘連問題進行定量分析,即

(3)

(4)

式中,aci,i+1為層間干擾系數,a(k)為第k采樣點的信號值(g),Ti為各層侵徹加速度信號持續時間(ms),Ni為各侵徹層采樣點數,Ac為平均層間干擾系數,L為侵徹層數。

2.2.1不同入射角下侵徹引信過載信號層間粘連分析

為了深入探究不同速度下不同入射角對彈體引信的過載加速度信號粘連的影響,基于建立的彈體有限元模型,設計了12種不同工況,具體參數如表4所示。對彈體侵徹5層混凝土靶板進行數值仿真。

表4 數值模擬工況Tab.4 Simulation cases

計算工況1～12,獲取彈體引信部位的過載加速度信號,并通過式(3)和式(4),獲得不同入射角下彈體侵徹5層靶板的引信過載信號的平均層間干擾系數。

圖5為不同速度下入射角與層間干擾系數之間的關系曲線圖。當速度為800 m/s時,彈體正侵徹5層混凝土靶板平均干擾系數為99.82;當入射角為5°時平均干擾系數為89.73,粘連程度減少了10.1%;當入射角為10°時平均干擾系數為76.66,粘連程度減少了23.2%;當入射角為15°時平均干擾系數為84.77,粘連程度減少了15.1%;當速度為1 000 m/s,入射角從0°增加到5°、10°、15°時,過載信號的粘連程度分別減少了3.2%、6.8%、2.7%。當速度為1 200 m/s時,入射角從0°增加到5°、10°、15°時,過載信號的粘連程度分別減少了5.7%、7.1%、6.1%。研究發現：初始入射角相同時,同種彈體,隨著侵徹速度的提高,引信信號粘連程度明顯增加,這是由于隨著侵徹速度增加,單次侵徹靶板等效沖擊力隨之提高,沖擊過載脈沖間隔縮短,使得信號粘連程度提高;初始侵徹速度相同時,同種彈體,引信過載信號粘連程度隨著彈體初始入射角的增加呈先下降后上升的趨勢,當入射角為10°左右時,侵徹引信過載信號粘連程度最低。

圖5 不同速度下入射角與層間干擾系數關系曲線圖Fig.5 The curve between incidence angle and interlayer interference coefficient at different speeds

同時,由圖5可以發現,當侵徹初速度為800 m/s,彈體初始入射角為10.5°時,侵徹粘連程度達到最低點;當侵徹初速度為1 000 m/s,彈體初始入射角為10°時,侵徹粘連程度達到最低點;而當侵徹初速度為1 200 m/s,彈體初始入射角降低至9.3°時,侵徹粘連程度同樣達到最低點。研究結果表明,隨著彈體侵徹初始速度的增加,引信信號粘連程度最低點對應的彈體初始入射角逐漸降低。

2.2.2不同攻角下侵徹引信過載信號層間粘連分析

為了深入探究不同速度下不同攻角對彈體引信的過載加速度信號粘連的影響,基于建立的彈體有限元模型,設計了12種不同工況,具體參數如表5所示。對彈體侵徹5層混凝土靶板進行了數值仿真。

表5 數值模擬工況Tab.5 Simulation cases

計算工況1～12,獲取彈體引信模塊過載加速度信號,并通過式(3)和式(4)計算獲得不同攻角侵徹5層靶板的平均層間干擾系數。圖6所示為不同速度下攻角與層間干擾系數關系曲線圖。

圖6 不同速度下攻角與層間干擾系數關系曲線圖Fig.6 The curve betweenattack angle and interlayer interference coefficient at different speeds

由圖6可得出：當速度為800 m/s時,彈體正侵徹5層混凝土靶板的平均干擾系數為99.82,當初始攻角為1°時平均干擾系數為105.21,粘連程度增加了5.4%,當初始攻角為3°時平均干擾系數為115.75,粘連程度增加了15.96%,當初始攻角為5°時平均干擾系數為125.03,粘連程度增加了25.3%;當速度為1 000 m/s時彈體初始攻角從0°增加到1°、3°、5°時,過載信號的粘連程度分別增加了5.8%、10.5%、15.5%;當速度為1 200 m/s時彈體初始攻角從0°增加到1°、3°、5°時,過載信號的粘連程度分別增加了0.33%、1.43%、2%。研究發現,隨著彈體的初始攻角的增加,侵徹引信過載信號的粘連程度也隨之增加。這是由于隨著侵徹攻角的增大,戰斗部侵徹所受阻力增大,單次侵徹靶板等效沖擊力隨之提高,侵徹環境激勵更復雜,侵徹沖擊脈沖寬度增加,使得信號粘連程度提高;同時,隨著侵徹初始速度增加,攻角對于引信過載信號粘連的影響逐漸減弱。例如,當侵徹初始速度為800 m/s時,彈體攻角從0°增加至5°,過載信號粘連程度增加25.3%。然而,當侵徹初始速度上升至1 200 m/s時,過載信號粘連程度只增加2%。這是由于隨著侵徹速度的增大,攻角相較于速度對侵徹環境激勵復雜度的影響減弱,故對引信過載信號粘連程度的影響減弱。

3 研究結果驗證

根據侵徹引信過載信號粘連機理,可以得知引信過載信號的粘連程度與彈體侵徹速度密切相關,即隨著侵徹速度的增大,引信過載信號的粘連程度也隨之增大。然而,對于加速度信號的粘連程度評估,一直依賴主觀判斷,缺乏統一的定量評價標準。本文選取彈體以不同速度(800、1 000、1 200 m/s)正侵徹5層混凝土靶板作為研究對象,驗證和評估本文提出的信號粘連程度研究方法。

獲得彈體引信加速度過載信號如圖7所示,過載信號均發生一定程度的粘連,無法明顯地分辨出彈體侵徹5層靶板的包絡信號。其中,圖7(a)、7(b)中所示第1～2層穿靶信號發生粘連無法判別,后3層侵徹包絡信號可以分辨,圖7(c)中信號粘連嚴重,5層穿靶信號均無法判別,由此可以判斷工況1、2信號粘連程度低于工況3,但工況1與工況2無法直觀比較辨別出各自信號粘連程度的大小。由此可知,僅通過主觀判斷無法準確地判別過載信號的粘連程度。

圖7 侵徹過載曲線圖Fig.7 Penetration overload curve

表6為層間干擾系數指標的計算結果。由計算結果顯示,侵徹彈體引信的過載信號的粘連隨著彈體侵徹速度的增加而增大,與理論結果一致,驗證了本文方法的可行性。

表6 層間干擾系數計算結果Tab.6 Calculation results of interlayer interference coefficient

同時,由計算結果可知,當侵徹速度從800 m/s增加至1 000、1 200 m/s時信號的粘連程度分別增加136.6%、518.2%。本文方法基于定量分析,通過計算信號的粘連程度,得出了具有較高可靠性和穩定性的粘連程度評價標準。該方法為引信過載信號粘連程度的定量評價提供了一種新的思路,并對相關領域的研究具有一定的參考價值。

4 結論

針對彈體侵徹多層目標過程中引信測量的過載層間粘連的問題,本文利用數值仿真的方法,開展了侵徹混凝土靶板的過載信號粘連特性的研究。通過侵徹實驗驗證了材料模型及其參數的可靠性,在此基礎上建立不同入射角、攻角的彈體模型,對侵徹5層混凝土靶板進行數值模擬,利用層間干擾系數公式將過載信號的粘連程度進行量化分析,主要得出如下結論：

1) 初始入射角相同時,同種彈體,侵徹速度增大,單次侵徹靶板等效沖擊力隨之提高,沖擊過載脈沖間隔縮短,過載信號粘連程度增高,并且彈體侵徹速度是影響過載信號粘連程度的主要影響因素。

2) 初始侵徹速度相同時,同種彈體,引信過載信號粘連程度隨著彈體初始入射角的增加呈先下降后上升的趨勢。同時,隨著侵徹速度的增加,引信信號粘連程度最低點對應的彈體初始入射角逐漸降低。

3) 初始侵徹速度相同時,同種彈體,引信過載信號粘連程度隨著彈體攻角的增加戰斗部侵徹所受阻力增大,單次侵徹靶板等效沖擊力隨之提高,侵徹環境激勵更加復雜,侵徹沖擊脈沖寬度增加,使得信號粘連程度提高;但隨著侵徹速度的增大,攻角相較于速度對侵徹環境激勵復雜度的影響減弱,故對引信過載信號粘連程度的影響減弱。

本文的研究結論對入射角、攻角單獨作用下的侵徹引信信號粘連問題提供參考,為打擊多層間隔混凝土靶板的侵徹類武器的設計提供數據支撐。