弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究

孙亚杰, 梁 轲, 马孟新, 牛兰杰

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

战斗部侵彻多层混凝土靶板过程中,引信要从加速度信号中获取目标的层数信息,从而控制战斗部在预定层起爆。在现代战争中,各国对地下指挥中心、机库等高价值目标的防护越来越复杂、坚固,迫使侵彻弹药速度不断提高,以达到高效毁伤。但随着侵彻速度的提高,弹体侵彻多层混凝土靶板的过载信号会出现粘连,这对引信的计层识别能力提出了更高的要求。

侵彻过载信号主要由3部分组成:刚体过载、应力波振荡形成的弹体结构响应、测试系统的振动和噪声[1-2]。

文献[3]～文献[5]对过载信号进行频谱分析,认为过载信号主频与弹体轴向固有频率接近,但没有深入研究不同工况对过载信号主频的影响。文献[6]～文献[12]提出对过载信号进行低通滤波、小波分解等,可以消除侵彻过载的层间粘连,但没有研究滤波截止频率选取的依据。另外,传统使用固定阈值的层目标识别方法也难以满足引信的发展要求。

本文提出弹体侵彻多层混凝土靶板的层目标识别方法:首先对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载;然后根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别,识别当前层数。

1 弹体模态分析

1.1 一维圆杆轴向振动特性

弹体垂直侵彻时,弹靶作用力会激发出弹体的多种振动模态,使得弹体剧烈振动,主要以轴向振动为主。由应力波传播理论可知,一维圆杆轴向振动的固有频率为[13]

(1)

式中:i为固有频率的阶数;C为一维圆杆中弹性纵波波速;L为一维圆杆长度。

1.2 弹体模态分析

采用有限元软件对弹体进行模态分析,弹长980 mm,弹径180 mm,材料为38CrMnSiA,主要材料参数[14-16]如表1所示。采用Ansys Workbench建立弹体的有限元模型,如图1所示。

图1 弹体模态分析有限元模型

表1 38CrMnSiA材料参数

在不加约束的情况下,对弹体进行模态分析,得到前两阶轴向固有频率f1=3 027 Hz,f2=5 901 Hz,振型如图2所示。图2(a)为弹体的第一阶轴向振型,呈现明显的轴向压缩变形,弹头及弹尾变形最为严重,是弹体侵彻过程中的主要受力方向,对测试信号做主要贡献;由图2(b)第二阶轴向振型可以看出,弹头明显变粗,弹长变化很小,对测试信号影响不大,同样,其他高阶频率成分对测试信号影响较小。

图2 弹体轴向振型

表2为将弹体相关参数代入式(1)计算得到的轴向固有频率与模态分析得到的轴向固有频率对比,可以发现两者前两阶的固有频率差距均在10%以上。这是因为式(1)在计算时,将真实弹体简化为理想的一维圆杆,没有考虑弹头卵形部等复杂结构。所以本文后续研究采用模态分析得到的固有频率。

表2 式(1)计算结果与模态分析结果对比

2 不同侵彻工况下过载信号主频特性分析

2.1 弹体正侵彻两层靶板的动力学仿真分析

在侵彻动力学仿真中作如下假设:① 弹体和靶板均为密实连续性介质;② 侵彻过程中不考虑温度效应,不考虑空气阻力。

弹体、引信材料均为38CrMnSiA,靶板为C40素混凝土,材料参数[14-16]如表3所示。弹体侵彻初速度V=800 m/s。2层靶板靶面尺寸均为2 000 mm×2 000 mm,2层靶板厚度分别为D1=180 mm,D2=180 mm,靶板间隔2 000 mm。采用ANSYS/LS-DYNA软件仿真,得到最终时刻靶板破坏图如图3所示。弹体穿透靶板留下花瓣形穿孔。

图3 最终时刻靶板破坏图

表3 C40混凝土材料参数

提取全弹、引信体过载信号如图4所示。可以看到全弹过载信号能分辨出2个明显的包络,分别为弹头卵形部侵彻第1层、第2层靶板所引起的刚体过载。进行层目标识别的关键就在于得到类似全弹刚体过载的曲线。对引信体过载信号进行频谱分析如图5所示,发现过载信号主频为2 845 Hz,与模态分析得到的固有频率3 027 Hz接近。由于侵彻速度和阻力会降低弹体的固有频率,因此过载信号主频比弹体一阶轴向固有频率f1小。

图4 全弹、引信体过载(V=800 m/s)

图5 引信体过载信号频谱图(V=800 m/s)

而引信体的过载信号2层之间粘连明显的原因是,弹体在靶间行进过程中,侵彻第1层靶板的应力波还没有衰减完,就与侵彻第2层所产生的应力波和刚体过载产生叠加,导致层间过载粘连。针对这种严重粘连的过载信号无法直接进行层目标识别。图6为V=500 m/s时侵彻两层靶板仿真得到的引信体过载。对比图4与图6,可发现随着弹体侵彻初速度的提高,过载信号会出现粘连现象。

图6 引信体过载(V=500 m/s)

2.2 不同侵彻工况下过载信号主频特性分析

为研究过载信号主频的特性,保持其他条件一致,进行不同工况下的弹体正侵彻两层靶板动力学仿真,提取引信体过载信号,并对其进行频谱分析,得到不同侵彻初速度、不同靶板强度、不同靶板厚度下引信体过载主频与固有频率f1的对比情况如表4、表5、表6所示。

表4 不同侵彻初速度下引信体过载信号主频与固有频率f1对比

表5 不同靶板强度下引信体过载信号主频与固有频率f1对比

表6 不同靶板厚度下引信体过载信号主频与固有频率f1对比

通过以上算例可知,侵彻过载信号主频有如下特性:该主频对侵彻初速度、靶板强度、靶板厚度不敏感;该主频与弹体轴向固有频率f1差距在8%以内。

3 弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究

3.1 弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法

基于过载信号主频特性,本文提出的弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法流程图如图7所示。基本参数说明:每层判层参数Qn取值范围[45%,90%],上1层权重系数x取值范围[0,1],每层靶厚Dn,第1层侵彻初速度V1,其余每层近似侵彻初速度Vn。L1为弹长减去弹头卵形部长度。

图7 多层侵彻引信层目标识别方法流程图

弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层识别方法主要分为2个步骤。

(1) 得到近似刚体过载。首先对弹体进行模态分析得到一阶轴向固有频率,取低于弹体一阶轴向固有频率对过载信号进行低通滤波(要考虑滤波器是否容易实现),把应力波引起的过载信号剔除,得到的信号可认为是近似刚体过载。

(2) 根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别,识别当前层数。每层识别方法如下。

① 识别第1层。第1层判层阈值为固定阈值C1,一般可设置为一个较低的值以保证可以对首层进行识别。如果识别到脉宽大于(D1/V1),且峰值大于C1的脉冲信号,记此脉冲信号为第1层近似刚体过载。并对此脉冲信号进行积分,即可得到侵彻第1层靶板的近似降速,从而得到侵彻第2层靶板的近似初速度。记第1层近似刚体过载的峰值为a1。在近似刚体过载(弹头卵形部侵彻靶板过程)后延时t1=L1/V2(弹体沿着靶板上的弹孔前进过程),此时弹尾离开上1层靶板,再进行层标识。

② 识别第2层。第2层判层阈值为自适应阈值C2,取第1层近似刚体过载峰值a1的Q2倍。继续识别直到出现脉宽大于(D2/V2),且峰值大于C2的脉冲信号,记此脉冲信号为第2层近似刚体过载。并对此脉冲信号进行积分,即可得到侵彻第2层靶板的近似降速,从而得到侵彻第3层的近似初速度。记第2层近似刚体过载的峰值为a2。在近似刚体过载后延时t2=L1/V3,再进行层标识。

③ 识别第3层。第3层判层阈值C3,取前2层近似刚体过载峰值加权平均值的Q3倍,识别方法同第2层。后面每层以此类推,即可识别出当前层数。

以侵彻5层混凝土靶板引信层目标识别为例,判层阈值计算的部分伪代码如下:

%%提取每层近似刚体过载峰值

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))

%%计算加权平均值

A2=a1

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

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

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

%%计算判层阈值

C1=4000

C2=Q2*A2

C3=Q3*A3

C4=Q4*A4

C5=Q5*A5

3.2 层目标识别方法的可靠性及适用范围

通过以下算例来验证本文提出方法的可靠性。

算例1:弹体材料、尺寸与1.2节一致,建立弹体斜侵彻5层靶板有限元模型,如图8(a)所示,侵彻速度V=900 m/s,靶板强度C40,着角5°,靶厚分别为300 mm(第1层),180 mm(后4层)。如图8(b)所示,由于是斜侵彻,弹体穿过五层靶板后发生了较大的偏转。过载曲线如图9所示,从第2层开始粘连严重。

图8 算例1有限元模型

图9 算例1引信体过载信号

采用本文层目标识别方法进行识别,已知弹体固有频率f1=3 027 Hz,采用Butterworth低通滤波器[17],以2 000 Hz为通带截止频率,3 000 Hz为阻带截止频率对过载信号进行低通滤波,滤波后的信号如图10所示,可以发现层间粘连过载比滤波前有很大的改善,分层效果明显,且滤波后的过载信号(近似刚体过载)与全弹刚体过载非常吻合。判层参数Q2取60%,其余层Qn均取75%,上1层权重系数x取0.8,第1层判层阈值取C1=4 000 g,其余层自适应判层阈值如图11所示,C2=8 677g,C3=8 357g,C4=7 937g,C5=7 421g,层目标识别结果如图12所示,可以准确识别。

图11 算例1判层阈值

图12 算例1层目标识别结果

算例2:弹长1 960 mm,弹径360 mm,弹体材料为38CrMnSiA,正侵彻10层靶板,速度V=900 m/s,靶板强度C40,靶厚分别为300 mm(第1层),180 mm(后9层)。仿真结束状态如图13所示,弹体发生了一定偏转,过载曲线如图14所示。模态分析得到弹体的固有频率为1 474 Hz。以1 000 Hz为通带截止频率,1 800 Hz为阻带截止频率进行低通滤波,得到的信号如图15所示。判层参数Q2取45%,其余层Qn均取75%,上1层权重系数x取0.8,第1层判层阈值取C1=2 000 g,其余层自适应判层阈值如图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,层目标识别结果如图17所示,可以准确识别。

图13 正侵彻10层靶板结束状态

图14 算例2引信体过载信号

图15 算例2全弹刚体过载与滤波后的过载信号(近似刚体过载)

图16 算例2判层阈值

图17 算例2层目标识别结果

为研究本文层目标识别方法的适用范围,用该方法对不同工况下仿真得到的过载信号进行识别的结果如表7所示(更改3.2节算例1着角、侵彻初速度、靶板层数)。可见,此弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层识别方法适用范围为:着角不大于10°、侵彻初速度400～900 m/s、靶板层数15层以下。

表7 不同工况下识别结果

4 结论

本文提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法,仿真表明该方法可为提高引信计层精度提供技术支撑。

① 通过进行不同工况的侵彻仿真,发现随着弹体侵彻初速度提高,过载信号会出现粘连现象;并得到过载信号主频与弹体一阶轴向固有频率差距在8%以内这一特性。

② 提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的层目标识别方法,首先根据弹体固有频率对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载,然后根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别,识别出当前层数。

③ 本文识别方法适用范围:着角不大于10°、侵彻初速度400～900m/s、靶板层数15层以下。后续还需进行试验验证。