基于应力波衰减材料的目标层特征凸现方法

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(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

侵彻弹在高速侵彻多层硬目标时，加速度传感器测得的多层侵彻过载中会叠加大量的高频振荡[1]，导致多层侵彻过载出现层间粘连，计层起爆算法难以识别目标层数，无法在指定目标层起爆战斗部。如何凸现多层侵彻过载的穿层特征，使计层起爆算法准确识别目标层数一直是侵彻引信研究的热点和难点。

目前多采用信号处理方法来凸现多层侵彻过载的穿层特征，对测得的多层侵彻过载信号进行信号处理，从中提取包含穿层特征的信息，计层起爆算法根据提取的信息来识别目标层数。欧阳科等提出了基于加速度传感器和MEMS开关信号融合的计层起爆算法[2]，该算法将加速度传感器信号和MEMS开关信号分别与不同的窗函数在时域中卷积加权求和得到复合信号，然后根据得到的复合信号来判断弹丸侵彻过程中的穿层特征。王杰等提出了基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法[3]，该方法利用小波基函数的信号重构能力和减加速度信号分量提取能力来选择处理粘连信号时所需要的最优小波基，再使用所选的最优小波基对粘连信号进行小波分解来提取出包含穿层特征信息的小波系数，计层起爆算法根据所提取的小波系数来识别目标层数。加速度传感器和开关融合算法、基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法在对粘连过载的处理上都取得了效果，能够从粘连信号中提取出包含目标层特征的信息，但在实现上加速度传感器和开关融合算法需要大量先验数据来统计确定加权值，才能得到准确的复合信号，基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法需要较大的信号处理量，会增加硬件功耗。针对多层目标侵彻过载粘连信号成分复杂、信号处理方法从中提取穿层特征压力大的问题，本文提出了基于应力波衰减材料的目标层特征凸现方法。

1 多层侵彻过载层间粘连机理及应力波衰减理论

1.1 多层侵彻过载层间粘连机理

有研究者在做大型弹药侵彻试验时发现，大弹速度高于一定值后，侵彻多层靶时侵彻过载信号会叠加大量高频振荡信号，使得过载信号层与层之间相互粘连，计层算法无法识别目标层数[1]。

分析其原因可以发现，大弹在侵彻多层目标时，弹体撞击第一层硬目标时弹头碰目标位置会受到巨大的瞬态冲击，会在弹体中产生传播方向与弹运动方向相反的应力波，应力波传到弹尾端面时会发生反射，产生反射应力波，反射应力波向弹头传播，传到弹头段面时会再次发生反射，如此应力波在弹体内来回传播，直到应力波能量耗尽为止。当侵彻弹的弹长较大、弹速较高时，应力波在弹体内的传播时间长，衰减慢；当应力波衰减时间大于弹在两层靶板之间的飞行时间时，弹再次撞击靶板产生的应力波和前次撞靶产生的应力波相互叠加，从而对弹的结构响应产生影响，使侵彻过载信号上叠加大量的高频振荡信号，使过载信号层与层之间相互粘连，分层特征难以识别。

以上分析表明大弹在高速侵彻多层硬目标时过载信号层与层之间发生粘连，主要是弹撞击硬目标时产生的应力波在弹内衰减过慢，与撞击下一层目标产生的应力波相互叠加引起的。

1.2 应力波衰减理论

应力波在单种材料介质中传播会随着传播距离的增加而发生衰减，其衰减方程表示为[4]：

σ=σ0exp(-αx)

(1)

式(1)中，σ0为应力波初始应力峰值，x为应力波在粘弹性材料内的传播距离，σ为应力波传播到x距离时应力峰值，σ为衰减系数。但工程中常使用的缓冲材料的衰减系数测定十分困难，难以在工程应用中指导缓冲材料的选择。柴华友等基于一维应力波理论，研究材料阻尼对应力波的传播的影响时，提出材料的内阻尼使材料具有松弛、蠕变行为，应力波在材料中传播时，阻尼会使应力波的能量有一定程度的耗损[5]。应力波在经过不同波阻抗材料的分界面时，会在界面处发生反射和透射，产生界面反射衰减[4]。

1.2.1应力波在单种材料介质中的衰减

材料阻尼是指固体材料内部的阻尼(又称内阻、内耗或内摩擦)，是材料的动态特性之一,和杨氏模量一样, 是衡量固体材料性质的一个重要物理量。材料阻尼是一种复杂的物理效应, 它使振动系统的动能或应变能转化为其他形式而发生耗散，表征这种能量耗散特性的物理量称为阻尼[6]。应力波在材料内部传播本质是外力引起材料质点的振动由近及远的传播[4]，材料阻尼使材料质点的振动发生衰减，从而使应力波在材料内部传播时发生衰减。材料内部的阻尼越大，质点振动衰减越快，应力波在其中传播衰减的越快。材料阻尼的大小一般用材料的损耗因子度量，损耗因子越大，材料的阻尼越大，表1列出几种常见材料在室温下和声频范围内的损耗因子[7]。

表1 几种常见材料的损耗因子ηTab.1 Loss factor of some materials

橡胶是常见的高阻尼材料，由表1可以发现橡胶类材料的损耗因子比其他材料大几个数量级。橡胶的阻尼特性主要取决于橡胶的分子结构和填料。橡胶分子链上引入大的侧基，在橡胶材料受到外力时，橡胶分子在运动时， 大侧基会阻碍大分子的运动，增大橡胶分子之间的内摩擦，从而增大橡胶的阻尼。加填料使橡胶分子在受到外力分子发生运动时，分子链之间、链段与填料之间、填料与填料之间的内摩擦会增大分子运动时能量损耗。该增值与填料和橡胶分子之间的界面尺寸有关，填料的径粒越小，比表面积越大，界面尺寸越大，粒子间的摩擦越大，分子运动时损耗的能量越多，橡胶材料的阻尼越大[7]。

1.2.2应力波在不同材料介质界面处的衰减

材料的波阻抗是表征材料在动态载荷下力学性能的基本参数之一，其物理意义是应力波在材料介质中传播时，作用于某个面积上的压力与单位时间内垂直通过此面积的质点流量(即面积乘以质点振动速度)之比。波阻抗具有阻力的含义，在数值上等于介质密度ρ0与波速C0的乘积[8]。应力波在传播过程中，经过两种不同材料介质的分界面时，将在分界面处发生反射和透射，如图1所示。应力波的反射率和透射率由构成分界面两种材料介质的波阻抗决定。其中反射波、透射波和入射波的强度关系可通过如下方程组确定：

(2)

当应力波由波阻抗高的材料(入射介质)传入波阻抗低的材料(透射介质)时，入射介质的波阻抗与透射介质的波阻抗比值n大于1，透射率T小于1，透射波的强度小于入射波的强度。入射介质的波阻抗与透射介质的波阻抗比值n越大，透射率T越小，透射波的强度越小，应力波在材料介质界面处的衰减量越大，表2列出了几种常见材料的波阻抗。

表2 几种常见材料的波阻抗ρ0C0Tab.2 Wave impedance of some materials

2 基于应力波衰减材料的目标层特征凸现方法

根据多层过载信号层间粘连机理及应力波衰减机理，提出一种基于应力波衰减材料的目标层特征凸现方法。在不改变侵彻引信内部结构的情况下，使用应力波衰减材料替换现有的缓冲材料，形成新的缓冲结构，加快应力波在弹内的衰减，使应力波在弹内传播时能量耗尽时间小于弹两层靶板之间的飞行时间，从而避免应力波沿着弹体多次重复叠加造成侵彻过载的层间粘连。

该方法的关键是应力波衰减材料的选择。由表1和表2可以看出，硅橡胶的阻尼大，波阻抗小，是很好的应力波衰减材料。可是在做冲击试验时发现，普通硅橡胶的应力波衰减能力仍达不到要求，因此需要一种应力波衰减能力更强的橡胶材料。根据橡胶的阻尼特性，往橡胶中加填料可以增加橡胶的阻尼，填料的径粒越小，增加的阻尼越大，且填料在橡胶内部，并不改变橡胶外表面处波阻抗。

采用灌封硅橡胶+纳米SiO2颗粒制备新型缓冲材料，将新材料填充到引信壳内侧，在本体周围形成缓冲层。该材料形成的缓冲层能使应力波在弹内快速衰减，避免了应力波沿着弹体多次重复叠加造成侵彻过载的层间粘连，从而凸现侵彻过载的目标层特征。

应力波从引信外壳传到缓冲层时，会在引信外壳材料和缓冲材料构成的分界面处发生反射和透射，由于引信外壳的材料为钛合金，波阻抗为22 MPa·m-1·s-1，硅橡胶的波阻抗为1.21 MPa·m-1·s-1，应力波由引信外壳传入缓冲材料时透射波强度为σT，入射波强度为σI，由式(2)可以得到：

(3)

添加纳米SiO2颗粒，硅橡胶的阻尼由0.15～0.30增加到0.80～1.05，阻尼越大，应力波衰减越快，应力波在新材料形成的缓冲层内衰减加快。

3 试验验证

3.1 试验方法

通过靶场试验来验证新型引信缓冲材料的多层侵彻过载目标特征凸现效果。在同一个引信内安装两个加速度传感器，传感器1装在位置1，周围无缓冲，测量无缓冲时的侵彻过载；传感器2装在位置2，周围填充新缓冲材料(灌封硅橡胶+纳米SiO2颗粒)进行缓冲，测量经过新缓冲材料(灌封硅橡胶+纳米SiO2颗粒)缓冲后侵彻过载。弹内引信结构示意图如图2所示。将传感器2(有缓冲)测得的侵彻过载和传感器1(无缓冲)测得的侵彻过载进行对比，来观察使用新型引信缓冲材料，是否会对多层侵彻过载信号的层间粘连情况有所改善。

使用炮弹搭载引信，发射速度为(400 ±30) m/s，侵彻3层钢筋混凝土靶板，第一层厚度0.3 m，第二层厚度0.18 m, 第三层厚度0.18 m，靶板强度C30，靶板设置在距炮口50 m处，靶板的靶面垂直于弹道，靶板间距为0.8 m(前靶后端面到后靶前端面之间)，靶板布置情况如3所示。

3.2 试验结果分析

试验结束后，试验弹成功回收，弹内测试装置成功读取到试验数据，传感器1、传感器2测得侵彻过载数据如图4所示。

传感器1和传感器2 测得的多层侵彻过载数据对比可以发现，装在位置1处无缓冲的传感器1测得的侵彻过载峰值为5.08万g，层间粘连严重，难以识别目标层特征；装在位置2处经新型缓冲材料缓冲的传感器2测得的侵彻过载峰值为2.24万g，目标层特征清晰。

试验结果表明，灌封硅橡胶+纳米SiO2颗粒制成的新型缓冲材料，能有效改善多层侵彻过载信号的层间粘连情况。新型缓冲材料与引信外壳的材料界面、新型缓冲材料形成的缓冲层都能加快应力波的衰减，使撞击靶板产生的应力波能量在弹内的耗尽时间小于弹体在两层靶板之间的飞行时间，从而避免了撞击前一层靶板产生的应力波与撞击下一层靶板产生的应力波相互叠加导致的侵彻过载层间粘连的情况，凸现侵彻过载的目标层特征，同时使过载峰值大幅下降。

4 结论

本文提出的基于应力波衰减材料的目标层特征凸现方法，该方法采用灌封硅橡胶+纳米SiO2颗粒

制备新型的缓冲材料，将新材料填充到引信壳内侧，在本体周围形成缓冲层。该材料形成的缓冲层能使应力波在弹内快速衰减，避免了应力波沿着弹体多次重复叠加造成侵彻过载的层间粘连，从而凸现侵彻过载的目标层特征。试验验证结果表明：同一发弹内采用该材料缓冲测得的侵彻过载层特征较未采用该材料缓冲的侵彻过载层特征明显。

参考文献:

[1]李蓉,陈侃,康兴国,等.硬目标侵彻引信炸点控制方法综述[J].探测与控制学报,2010,32(6):1-4.

[2]欧阳科,杨勇辉,阮朝阳.基于加速度传感器和开关信号融合的计层算法[J].探测与控制学报,2012,34(2):7-10.

[3]王杰,李蓉,黄惠东.基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法[J].探测与控制学报,2016,38(2)2:13-17.

[4]王礼立.应力波基础[M]. 北京: 国防工业出版社,1985.

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