高速侵彻多层目标引信过载信号层间粘连特性

张洪瑞,牛少华

(北京理工大学机电动态控制重点实验室,北京 100081)

0 引言

计层起爆是侵彻弹药打击多层建筑物、舰船等多层目标所采用的主要起爆模式之一,引信计层识别的准确性是实现精确起爆的关键因素之一。目前,计层识别主要是通过获取弹体在侵彻目标时的过载来判别其穿层情况。但是,通过安装于引信内的加速度传感器所感测的过载信号成分复杂,不仅包含了弹体在侵穿靶板时的冲击过载,还叠加了由应力波、弹-引连接结构等引入的干扰信号。随着侵彻弹体长度增大以及侵彻速度的提高,过载信号的复杂性也大大加强,呈现出穿层信号与层间信号的粘连现象,导致侵彻引信无法准确地判断侵彻层数。

目前,国内外学者对弹体内部传感器获取的过载信号的粘连问题进行了大量研究,文献[1]指出信号粘连是由于加速度传感器信号中弹体刚体过载和振动响应两种成分在时间上粘连在一起所导致的现象,其粘连形式可分为时间串联和时间并联粘连。由于刚体过载的时间较短,与弹体振动响应不同步,振动响应信号滞后于刚体过载信号,但在时间上连续,从而形成时间串联粘连。时间并联粘连是由于弹丸穿靶过程较长,振动响应信号与刚体过载信号同时发生,而产生的一种并联关系。文献[2]对多层侵彻过载信号粘连的成因进行分析,提出当侵彻阻力的频率与弹-引系统的固有频率接近时,传感器获取的加速度信号将出现粘连,并将过载信号分为不粘连、时域粘连和时频域粘连三种情况。此外,对于粘连信号处理方法也是研究热点,粘连信号处理方法分析主要集中在加速度信号滤波算法设计上,如低通滤波算法[3]、小波分解算法[4-5]、奇异值分解[6]、积分及自相关运算[7-8]等。

关于多层侵彻加速度信号的粘连问题,学者大都集中在粘连机理、滤波算法方面的研究,针对弹体自身参数及环境因素影响对内部传感器信号粘连程度的影响研究较少。鉴于此,本文建立弹体侵彻5层混凝土靶板数值计算模型,对高速侵彻多层目标引信过载信号层间粘连特性进行讨论分析。

1 侵彻引信过载信号粘连机理

侵彻引信过载信号粘连是指弹体高速侵彻多层硬目标时,引信内部加速度传感器获取的过载信号层与层之间相互混叠,没有明显的穿层特征信号,无法准确识别侵彻层数。

目前,弹体高速侵彻多层目标引信过载信号粘连现象已经被广泛认可。学者们从传感器感应、应力波衰减、引战谐振、弹体结构响应等不同角度,对侵彻引信过载信号粘连问题进行了深入分析,揭示了侵彻引信过载信号产生粘连的原因是弹体在高速侵彻多层目标的过程中,受到的冲击力瞬间快速变化,从而激发出冲击应力波。这种应力波沿着弹体的轴向进行传播、反射,并与行进波相互叠加,造成弹体在侵彻每一层靶板时,加速度传感器所感知到的过载信号上叠加了应力波传播振荡的信息,从而形成了粘附过载信号中的高频成分。弹体在相邻两层靶板间行进过程中,应力波仍在振荡尚未衰减完毕,因此导致相邻两目标层之间的过载彼此粘连,没有明显的穿层特征信号[9]。

此外,学者们研究发现侵彻引信过载信号的粘连与弹体的瞬时应变率、侵彻弹体的外形、弹体侵彻初速度以及弹体在相邻两层目标之间自由飞行的时间等因素密切相关[10-11],并得到定性的分析,但是目前尚未给出各因素对信号粘连响应的量值验证,也未对信号层间粘连特性进行深入研究。

2 侵彻引信过载信号层间粘连特性

2.1 数值模型及验证

对于数值仿真分析,所建模型的合理性是保证计算结果可信的关键。首先以某模拟试验弹-引系统为对象,建立其侵彻多层混凝土靶板数值仿真模型,并将仿真结果与试验结果进行对比,验证该本构模型与材料参数的可靠性,为开展不同着靶姿态的仿真分析奠定基础。

2.1.1材料模型

弹体材料选用可以较好描述高温、高压、高应变率下材料行为的Johnson-Cook(简称J-C)本构模型表征,材料参数如表1所示。并使用基于冲击绝热线建立的Mie-Gruneisen状态方程对金属材料在大应力情况下的行为特性进行描述,即

表1 JOHNSON_COOK材料参数Tab.1 JOHNSON_COOK material parameters

(1)

式(1)中,P和E为受压缩固体材料的压力与内能,ρ0和C为材料的初始密度和初始声速,S1、S2、S3、γ0、a为Gruneisen常数。其相关参数取值选用文献[12]中给出的参数。参数μ由以下公式确定：

(2)

式(2)中,ρ为受压缩固体材料的密度。

混凝土靶板采用HJC模型,但该本构模型只是在模拟混凝土的压缩失效方面具有较为理想的效果,在拉伸失效方面的描述不足,仅依靠HJC模型自带的失效参数FS控制混凝土材料的失效,弹体会发生严重畸变,甚至导致计算终止[13],故而添加最大主应变失效准则来模拟混凝土失效,并根据参考文献[15—16]进行定义,混凝土模型材料参数如表2所示。传感器模块、装药材料模型均采用PLASTIC_KINEMATIC本构模型,模型材料参数如表3所示。

表2 HJC模型材料参数Tab.2 HJC material parameters

表3 PLASTIC_KINEMATIC模型材料参数Tab.3 PLASTIC_KINEMATIC material parameters

2.1.2模型验证

基于2.1.1节的本构模型和材料参数,对试验弹进行1∶1建模,弹体为截卵形战斗部,质量m为1 220 kg,弹体外径D为460 mm,弹体长度L为2 200 mm,头部质心系数为0.53,弹头的曲率半径与弹体直径之比(简称CRH)约为3.0。弹体模型如图1所示。弹体外壳材料为38CrMnSiNi2A,弹体由外部壳体、主装药、引信座、引信、压螺等主要部分组成。对力学响应比较复杂部位(引信体、引信座、压螺及弹体卵形部)网格精细划分,弹体内部装有与炸药等质量的装药采用自由接触算法(*Contact_Automatic_Surface_To_Surface),引信体与引信座之间由螺纹连接,螺纹连接处采用固连连接算法(*Contact_Tied_Surface_To_Surface),引信座由压螺与弹体外壳固定,压螺与引信座和引信外壳之间均采用固连连接算法(*Contact_Tied_Surface_To_Surface)。引信模块材料为7A04Al,质量为2.5 kg。引信座材料为TC16Ti。

图1 弹体数值仿真模型图Fig.1 Numerical simulation model of projectile

靶板为C40混凝土,形状为正方形,靶板的尺寸为1 848 mm×1 848 mm,第一层厚度为300 mm,从第二层开始均为180 mm靶板,间距均为3 m,对靶板采用局部加密的方式划分网格如图2所示。

图2 局部靶板网格图Fig.2 Local target grid diagram

为了节省计算成本,只对战-引系统和混凝土靶板进行了二分之一的建模,同时,调整靶板位置,使得弹体侵彻轨迹始终位于靶板网格加密处。为了保证计算精度,战-引系统及靶板均采用八节点六面体单元划分网格。混凝土靶板设置为无反射边界,以忽略边界的影响。弹体与靶板之间采用侵蚀接触算法(*Contact_Eroding_Surface_To_Surface)。计算模型每10 μs输出一个数据点。

试验与仿真中弹体均以790 m/s的速度,10°初始入射角非正侵彻12层C40混凝土板。将数值模拟获得的引信过载信号与试验测得加速度信号进行对比,如图3所示。

图3 引信过载信号对比Fig.3 Fuze overload signal comparison

通过对比可以得出,侵彻多层靶板有限元模型引信过载曲线与试验中引信过载曲线的信号粘连情况、过载变化情况等近似,验证了本文所建立的有限元模型的准确性和可靠性。同时,在确保该有限元模型可以反映侵彻多层靶板工况下引信结构的动力学响应特性的条件下,以此有限元模型为基础,分析弹体以不同初始入射角、攻角侵彻多层混凝土靶板对引信过载响应特性的影响并给出其影响规律。

2.2 侵彻引信过载信号层间粘连特性分析

基于所建立的有限元模型,对弹-引系统在不同初始条件下侵彻多层目标时的过载信号层间粘连特性进行了深入研究和分析。

弹体初始着靶姿态包括初始入射角及攻角,其中弹体初始入射角α为弹体中心轴线与靶板表面外法线的夹角,初始攻角φ为弹体中心轴线与弹体初始侵彻速度方向的夹角。图4为弹体侵彻姿态示意图,其中V表示弹体初始侵彻速度的方向,θ为靶板表面外法线与水平线的夹角。

图4 弹体侵彻姿态示意图Fig.4 Condition of penetration

为了深入研究弹体侵彻初速度、初始入射角及攻角对高速侵彻多层目标引信过载信号层间粘连的影响,引用参考文献[16]中提出的侵彻引信加速度信号的评价指标中的层间干扰系数来对粘连问题进行定量分析,即

(3)

(4)

式中,aci,i+1为层间干扰系数,a(k)为第k采样点的信号值(g),Ti为各层侵彻加速度信号持续时间(ms),Ni为各侵彻层采样点数,Ac为平均层间干扰系数,L为侵彻层数。

2.2.1不同入射角下侵彻引信过载信号层间粘连分析

为了深入探究不同速度下不同入射角对弹体引信的过载加速度信号粘连的影响,基于建立的弹体有限元模型,设计了12种不同工况,具体参数如表4所示。对弹体侵彻5层混凝土靶板进行数值仿真。

表4 数值模拟工况Tab.4 Simulation cases

计算工况1～12,获取弹体引信部位的过载加速度信号,并通过式(3)和式(4),获得不同入射角下弹体侵彻5层靶板的引信过载信号的平均层间干扰系数。

图5为不同速度下入射角与层间干扰系数之间的关系曲线图。当速度为800 m/s时,弹体正侵彻5层混凝土靶板平均干扰系数为99.82;当入射角为5°时平均干扰系数为89.73,粘连程度减少了10.1%;当入射角为10°时平均干扰系数为76.66,粘连程度减少了23.2%;当入射角为15°时平均干扰系数为84.77,粘连程度减少了15.1%;当速度为1 000 m/s,入射角从0°增加到5°、10°、15°时,过载信号的粘连程度分别减少了3.2%、6.8%、2.7%。当速度为1 200 m/s时,入射角从0°增加到5°、10°、15°时,过载信号的粘连程度分别减少了5.7%、7.1%、6.1%。研究发现：初始入射角相同时,同种弹体,随着侵彻速度的提高,引信信号粘连程度明显增加,这是由于随着侵彻速度增加,单次侵彻靶板等效冲击力随之提高,冲击过载脉冲间隔缩短,使得信号粘连程度提高;初始侵彻速度相同时,同种弹体,引信过载信号粘连程度随着弹体初始入射角的增加呈先下降后上升的趋势,当入射角为10°左右时,侵彻引信过载信号粘连程度最低。

图5 不同速度下入射角与层间干扰系数关系曲线图Fig.5 The curve between incidence angle and interlayer interference coefficient at different speeds

同时,由图5可以发现,当侵彻初速度为800 m/s,弹体初始入射角为10.5°时,侵彻粘连程度达到最低点;当侵彻初速度为1 000 m/s,弹体初始入射角为10°时,侵彻粘连程度达到最低点;而当侵彻初速度为1 200 m/s,弹体初始入射角降低至9.3°时,侵彻粘连程度同样达到最低点。研究结果表明,随着弹体侵彻初始速度的增加,引信信号粘连程度最低点对应的弹体初始入射角逐渐降低。

2.2.2不同攻角下侵彻引信过载信号层间粘连分析

为了深入探究不同速度下不同攻角对弹体引信的过载加速度信号粘连的影响,基于建立的弹体有限元模型,设计了12种不同工况,具体参数如表5所示。对弹体侵彻5层混凝土靶板进行了数值仿真。

表5 数值模拟工况Tab.5 Simulation cases

计算工况1～12,获取弹体引信模块过载加速度信号,并通过式(3)和式(4)计算获得不同攻角侵彻5层靶板的平均层间干扰系数。图6所示为不同速度下攻角与层间干扰系数关系曲线图。

图6 不同速度下攻角与层间干扰系数关系曲线图Fig.6 The curve betweenattack angle and interlayer interference coefficient at different speeds

由图6可得出：当速度为800 m/s时,弹体正侵彻5层混凝土靶板的平均干扰系数为99.82,当初始攻角为1°时平均干扰系数为105.21,粘连程度增加了5.4%,当初始攻角为3°时平均干扰系数为115.75,粘连程度增加了15.96%,当初始攻角为5°时平均干扰系数为125.03,粘连程度增加了25.3%;当速度为1 000 m/s时弹体初始攻角从0°增加到1°、3°、5°时,过载信号的粘连程度分别增加了5.8%、10.5%、15.5%;当速度为1 200 m/s时弹体初始攻角从0°增加到1°、3°、5°时,过载信号的粘连程度分别增加了0.33%、1.43%、2%。研究发现,随着弹体的初始攻角的增加,侵彻引信过载信号的粘连程度也随之增加。这是由于随着侵彻攻角的增大,战斗部侵彻所受阻力增大,单次侵彻靶板等效冲击力随之提高,侵彻环境激励更复杂,侵彻冲击脉冲宽度增加,使得信号粘连程度提高;同时,随着侵彻初始速度增加,攻角对于引信过载信号粘连的影响逐渐减弱。例如,当侵彻初始速度为800 m/s时,弹体攻角从0°增加至5°,过载信号粘连程度增加25.3%。然而,当侵彻初始速度上升至1 200 m/s时,过载信号粘连程度只增加2%。这是由于随着侵彻速度的增大,攻角相较于速度对侵彻环境激励复杂度的影响减弱,故对引信过载信号粘连程度的影响减弱。

3 研究结果验证

根据侵彻引信过载信号粘连机理,可以得知引信过载信号的粘连程度与弹体侵彻速度密切相关,即随着侵彻速度的增大,引信过载信号的粘连程度也随之增大。然而,对于加速度信号的粘连程度评估,一直依赖主观判断,缺乏统一的定量评价标准。本文选取弹体以不同速度(800、1 000、1 200 m/s)正侵彻5层混凝土靶板作为研究对象,验证和评估本文提出的信号粘连程度研究方法。

获得弹体引信加速度过载信号如图7所示,过载信号均发生一定程度的粘连,无法明显地分辨出弹体侵彻5层靶板的包络信号。其中,图7(a)、7(b)中所示第1～2层穿靶信号发生粘连无法判别,后3层侵彻包络信号可以分辨,图7(c)中信号粘连严重,5层穿靶信号均无法判别,由此可以判断工况1、2信号粘连程度低于工况3,但工况1与工况2无法直观比较辨别出各自信号粘连程度的大小。由此可知,仅通过主观判断无法准确地判别过载信号的粘连程度。

图7 侵彻过载曲线图Fig.7 Penetration overload curve

表6为层间干扰系数指标的计算结果。由计算结果显示,侵彻弹体引信的过载信号的粘连随着弹体侵彻速度的增加而增大,与理论结果一致,验证了本文方法的可行性。

表6 层间干扰系数计算结果Tab.6 Calculation results of interlayer interference coefficient

同时,由计算结果可知,当侵彻速度从800 m/s增加至1 000、1 200 m/s时信号的粘连程度分别增加136.6%、518.2%。本文方法基于定量分析,通过计算信号的粘连程度,得出了具有较高可靠性和稳定性的粘连程度评价标准。该方法为引信过载信号粘连程度的定量评价提供了一种新的思路,并对相关领域的研究具有一定的参考价值。

4 结论

针对弹体侵彻多层目标过程中引信测量的过载层间粘连的问题,本文利用数值仿真的方法,开展了侵彻混凝土靶板的过载信号粘连特性的研究。通过侵彻实验验证了材料模型及其参数的可靠性,在此基础上建立不同入射角、攻角的弹体模型,对侵彻5层混凝土靶板进行数值模拟,利用层间干扰系数公式将过载信号的粘连程度进行量化分析,主要得出如下结论：

1) 初始入射角相同时,同种弹体,侵彻速度增大,单次侵彻靶板等效冲击力随之提高,冲击过载脉冲间隔缩短,过载信号粘连程度增高,并且弹体侵彻速度是影响过载信号粘连程度的主要影响因素。

2) 初始侵彻速度相同时,同种弹体,引信过载信号粘连程度随着弹体初始入射角的增加呈先下降后上升的趋势。同时,随着侵彻速度的增加,引信信号粘连程度最低点对应的弹体初始入射角逐渐降低。

3) 初始侵彻速度相同时,同种弹体,引信过载信号粘连程度随着弹体攻角的增加战斗部侵彻所受阻力增大,单次侵彻靶板等效冲击力随之提高,侵彻环境激励更加复杂,侵彻冲击脉冲宽度增加,使得信号粘连程度提高;但随着侵彻速度的增大,攻角相较于速度对侵彻环境激励复杂度的影响减弱,故对引信过载信号粘连程度的影响减弱。

本文的研究结论对入射角、攻角单独作用下的侵彻引信信号粘连问题提供参考,为打击多层间隔混凝土靶板的侵彻类武器的设计提供数据支撑。