張起博，焦志剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍事設(shè)備及指揮中心成為重點(diǎn)打擊目標(biāo)，因此許多重要的軍事目標(biāo)都轉(zhuǎn)移到了地下深處，絕大部分的常規(guī)武器已經(jīng)不能對這些目標(biāo)進(jìn)行有效的打擊，于是侵徹技術(shù)和鉆地武器迅速發(fā)展。在“五八事件”中，美國的三枚精確制導(dǎo)炸彈穿透五層樓板，在地下室發(fā)生爆炸，這一事件說明進(jìn)行侵徹武器的研究有著重要的意義。侵徹武器一般具有定時(shí)、計(jì)行程、計(jì)層數(shù)/空缺、介質(zhì)識(shí)別等功能，能在高加速度條件下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)起爆控制。智能引信能夠識(shí)別目標(biāo)并準(zhǔn)確記錄彈藥侵徹過程的行程和目標(biāo)層數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)實(shí)時(shí)炸點(diǎn)控制。計(jì)層起爆控制方法適用于攻擊多層目標(biāo)，如多層建筑物。計(jì)層起爆的優(yōu)點(diǎn)是打擊精度高，對目標(biāo)打擊靈活性高，其難點(diǎn)在于如何排除干擾，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)層。

李豪杰等[1]對侵徹過程進(jìn)行有限元仿真分析，得到了利用侵徹加速度進(jìn)行計(jì)層起爆控制的方法。李俊鋒等[2]分析了軟層(或薄層)、干擾層等復(fù)雜目標(biāo)可能對精確計(jì)層產(chǎn)生的影響。范錦彪等[3]研究了侵徹加速度信號(hào)的特征，提出利用加速度信號(hào)來處理零點(diǎn)漂移修正原則和濾波截止頻率選擇原則，確定彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減加速度信號(hào)的處理原則。李崢輝等[4]通過實(shí)彈撞擊鋼板試驗(yàn)，對彈丸侵徹鋼板過程中的加速度進(jìn)行采集，總結(jié)出彈丸侵徹鋼板的加速度處理方法。Paul M.Booker等[5]進(jìn)行了6組彈丸對多層混凝土靶的侵徹試驗(yàn)，在彈體的前后安裝了加速度傳感器，成功測得3組彈丸侵徹多層無間隔混凝土靶板的過載曲線。喬相信等[6]通過設(shè)計(jì)隨機(jī)裝訂和延時(shí)起爆系統(tǒng)，達(dá)到對機(jī)場跑道的有效破壞并對其長時(shí)間封鎖的目的。本文通過Autodyn-3D對彈丸正侵徹和20°斜侵徹間隔靶板過程中的加速度進(jìn)行研究，得到了彈丸侵徹多層靶板的計(jì)層方法，同時(shí)剔除了豎直墻結(jié)構(gòu)帶來的影響，為精確計(jì)層提供一種新思路。

1 高速彈丸侵徹多層靶板數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

高速彈丸斜侵徹靶板的幾何模型如圖1所示。

彈體尺寸為Φ125mm×520mm，靶板為三層間隔結(jié)構(gòu)，通過查閱相關(guān)資料得知，頂層樓板相對較厚，其余樓板較薄，故計(jì)算模型第一層靶板厚度為30cm，第二、三層厚度均為18cm，靶板面積為400cm×200cm，靶板間距為300cm。斜侵徹時(shí)彈丸的入射角為20°，并在斜侵徹的基礎(chǔ)上加入厚度為15cm的豎直墻結(jié)構(gòu)。為減少計(jì)算量，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性建立1/2模型。

圖1 三維幾何模型

1.2 材料模型

彈體材料為高強(qiáng)度鎢合金，在侵徹過程中侵蝕和變形很小，仿真時(shí)選擇剛體模型，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 彈體材料參數(shù)表

靶板選用混凝土材料，采用P-alpha狀態(tài)方程，HJC本構(gòu)模型可以很好地反應(yīng)出大變形、高應(yīng)變率、高壓力下的相應(yīng)情況。具體材料參數(shù)如表2所示[7]。

表2 混凝土材料參數(shù)表

2 結(jié)果分析

2.1 正侵徹靶板特性分析

正侵徹時(shí)，彈丸速度及侵徹加速度曲線如圖2所示。

彈丸初速為1500m/s，末速減小為約1320m/s，圖2a中明顯看到彈丸速度存在三次改變，每侵徹一層靶板，就會(huì)產(chǎn)生速度突變。圖2b中可以看出，垂直加速度共有三個(gè)峰值，代表著三層靶板產(chǎn)生的加速度信號(hào)；穿過第一層靶板時(shí)加速度峰值超過了400000m/s2，第二層和第三層加速度峰值較第一層略小。因?yàn)榍謴丶铀俣仁窃趶楏w剛開始侵徹靶板的一瞬間記錄的，所以第一層的侵徹加速度會(huì)有一點(diǎn)缺失。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未體現(xiàn)出環(huán)境對彈丸的干擾，所以加速度曲線比較平滑。

圖2 正侵徹時(shí)垂直速度及加速度曲線

2.2 斜侵徹靶板特性分析

20°入射角斜侵徹三層靶板時(shí)，由于存在入射角，需要在不同方向討論彈丸侵徹加速度變化情況，彈丸垂直和水平速度及加速度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 20°斜侵徹時(shí)垂直速度及加速度曲線

圖4 20°斜侵徹時(shí)水平速度及加速度曲線

彈丸垂直和水平速度都存在三次改變，對應(yīng)存在三個(gè)加速度峰值，彈丸垂直分速度由1410m/s減小到1320m/s，侵徹首層靶板時(shí)加速度峰值達(dá)到了190000m/s2，其余兩個(gè)加速度峰值為175000m/s2左右。彈丸水平分速度由510m/s減小到486m/s，侵徹首層靶板時(shí)加速度峰值達(dá)到了70000m/s2，其余兩個(gè)加速度峰值分別為51000m/s2和41000m/s2左右，三個(gè)加速度峰值成遞減趨勢。垂直和水平方向產(chǎn)生的三個(gè)加速度峰值意味著侵徹三層靶板。

20°入射角斜侵徹帶豎直墻的三層靶板時(shí)，彈丸垂直和水平速度及加速度曲線如圖5、圖6所示。

圖5 20°斜侵徹時(shí)垂直速度及加速度曲線

圖6 20°斜侵徹時(shí)水平速度及加速度曲線

彈丸垂直和水平速度發(fā)生了4次變化，對應(yīng)產(chǎn)生了4個(gè)加速度峰值。彈丸垂直分速度由1410m/s減小到1249m/s，侵徹首層靶板時(shí)加速度峰值達(dá)到了190000m/s2，其余三個(gè)加速度峰值為180000m/s2左右；水平分速度由510m/s減小到479m/s，加速度峰值分別為62000m/s2、57000m/s2、70000m/s2和40000m/s2左右。

與不帶豎直墻的斜侵徹圖像對比，彈丸在3.3ms時(shí)，加速度多了一個(gè)峰值，這個(gè)峰值是彈丸侵徹豎直墻產(chǎn)生的加速度信號(hào)。

3 計(jì)層策略

計(jì)層起爆既要實(shí)現(xiàn)彈丸侵徹多層目標(biāo)時(shí)，使彈丸在預(yù)定的層數(shù)起爆。研究計(jì)層策略時(shí)主要考慮兩方面因素：一個(gè)是侵徹加速度的峰值特征，另一個(gè)是侵徹加速度的間隔時(shí)間。

彈丸侵徹靶板時(shí)，采用設(shè)置加速度閾值的方法進(jìn)行計(jì)層，閾值的選擇應(yīng)根據(jù)目標(biāo)的介質(zhì)材料進(jìn)行判斷；當(dāng)垂直和水平加速度的值大于這個(gè)閾值時(shí)判定為有效峰值，彈丸加速度在侵徹過程中出現(xiàn)有效峰值的個(gè)數(shù)，即為侵徹靶板的層數(shù)。當(dāng)水平加速度在侵徹過程中始終非常小時(shí)，判定為正侵徹，上述計(jì)層方法同樣適用，只需要通過垂直加速度進(jìn)行判斷即可。

但存在豎直墻結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致多計(jì)層的情況出現(xiàn)，針對這種情況，可以采取兩種方法來剔除其造成的影響?；驹硎牵涸谇謴剡^程中，當(dāng)彈丸垂直和水平加速度峰值發(fā)生互換，即判定侵徹豎直墻，應(yīng)該剔除相應(yīng)的層信號(hào)：當(dāng)彈丸由于姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致垂直和水平加速度峰值無法判斷是否互換時(shí)，可以采取設(shè)置間隔時(shí)間的方法，即計(jì)算出理論的侵徹間隔時(shí)間，若峰值出現(xiàn)在間隔時(shí)間內(nèi)，則忽略此加速度峰值帶來的層信號(hào)，間隔時(shí)間歸零，直到正常計(jì)層后，重新計(jì)算間隔時(shí)間，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)層。

間隔時(shí)間的設(shè)定需根據(jù)彈丸初速、著角及靶板間距決定，計(jì)算方法為

式中：l為靶板間距；v0為彈丸初速；θ為彈丸初始侵徹角度；t為侵徹時(shí)間；a(t)為垂直加速度函數(shù)，由三軸加速度傳感器得到。

以20°斜侵徹間隔為3m的靶板仿真為例，彈丸在侵徹過程中垂直和水平速度及加速度如圖5、圖6所示，穿透第二層的時(shí)間為2.5ms，則彈丸到達(dá)第三層靶板的理論時(shí)間為

計(jì)層方法流程圖如圖7所示。

4 計(jì)層策略驗(yàn)證

將圖7的計(jì)層方法在Matlab中建立數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入侵徹帶豎直墻垂直和水平加速度數(shù)據(jù)，由于曲線不夠平滑，在Matlab中進(jìn)行擬合，使其更加光滑，擬合后的水平加速度曲線如圖8所示。

圖7 計(jì)層方法流程圖

圖8 擬合后的水平加速度曲線

Matlab輸出結(jié)果如圖9所示。運(yùn)行一段時(shí)間后，輸出有效加速度峰值有三個(gè)，代表侵徹三層靶板，同時(shí)剔除了豎直墻的影響，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)層。

圖9 Matlab輸出結(jié)果

5 結(jié)論

通過正侵徹和入射角為20°的斜侵徹三層間隔靶板的數(shù)值模擬，分析了彈丸侵徹間隔靶板過程的加速度變化規(guī)律，利用Matlab將彈丸加速度信號(hào)進(jìn)行處理，對穿透的水平靶板實(shí)現(xiàn)計(jì)層，與普通計(jì)層策略相比，本文探討了存在豎直墻結(jié)構(gòu)時(shí)的計(jì)層方法；利用彈丸侵徹過程中垂直和水平加速度，成功剔除其對計(jì)層策略的影響，實(shí)現(xiàn)了精確計(jì)層。