杜長河,李彩芳,賀一軒,邵志豪,張 珂,李 蓉

(1.機電動態(tài)控制重點實驗室,陜西 西安 710065;2.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,高速侵徹彈藥對地面多層建筑、飛機洞庫、地下指揮所、地下導彈發(fā)射庫等深藏高價值硬目標和航母、驅逐艦等大中型水面艦船進行有效打擊可以迅速摧毀敵方的有生戰(zhàn)斗力量,甚至達到扭轉戰(zhàn)局的效果[1-2]。侵徹引信實時探測目標環(huán)境信息并進行信號處理,控制侵徹彈藥在預定最佳炸點位置起爆,可實現(xiàn)對打擊目標的最大毀傷效應[3]。

提高動能侵徹戰(zhàn)斗部速度可以顯著提升彈藥的侵徹能力,但同時也給引信帶來更為惡劣的生存環(huán)境和更加復雜的目標信息。引信過載信號疊加大量振蕩信號,高頻振蕩將目標層信息淹沒,層間過載彼此粘連,無法精確地辨識目標層[4]?？萍既藛T采用不同方法對過載粘連進行解析和信號處理,以實現(xiàn)侵徹引信在打擊多層硬目標時的精準計層。文獻[5]對硬目標侵徹引信炸點控制方法進行了綜述。文獻[6]總結了國內(nèi)外侵徹多層硬目標領域的引信研究現(xiàn)狀,并分析了多層硬目標侵徹引信所涉及的侵徹信號獲取與處理方式、計層算法研究及實現(xiàn)等關鍵技術。文獻[7]基于侵徹過載數(shù)值仿真進行了侵徹引信計層起爆控制算法設計,提出采用彈丸識別入靶過載信號后短時屏蔽計層功能的方法實現(xiàn)目標正確計層。文獻[8]對侵徹戰(zhàn)斗部-引信系統(tǒng)進行了動力學建模仿真。文獻[9]分析了基于應力波衰減材料的侵徹引信目標層特征凸顯方法。

目前,對侵徹引信研究尚缺少高速侵徹戰(zhàn)斗部打擊硬目標時的終點彈道和引信過載特征分析,其中戰(zhàn)斗部穿靶歷程和戰(zhàn)斗部速度、引信動態(tài)過載的時空對應規(guī)律研究尤其匱乏。實際上,新一代硬目標靈巧引信和智能侵徹引信的創(chuàng)新研制需要準確可靠的戰(zhàn)斗部穿靶和引信過載基礎數(shù)據(jù)與力學響應機理作為有效支撐。本文基于大型戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板和堅固厚靶典型硬目標場景,建立了包含戰(zhàn)斗部外殼、炸藥、引戰(zhàn)結構、引信、目標靶板的有限元仿真模型,分析了戰(zhàn)斗部終點彈道變化和靶板破壞形態(tài),給出了戰(zhàn)斗部典型穿靶狀態(tài)與戰(zhàn)斗部速度、引信過載的對應關系,以期為侵徹引信基礎研究與創(chuàng)新應用提供技術參考。

1 基本概念和原理

侵徹戰(zhàn)斗部高速撞擊硬目標時,產(chǎn)生高壓力使目標和戰(zhàn)斗部發(fā)生變形造成破壞,戰(zhàn)斗部擠壓目標材料形成彈孔或貫穿目標。侵徹過程和破壞效果同戰(zhàn)斗部的材料力學性質、結構、著速、著角、目標的材料力學性質和結構有關。侵徹終點彈道主要描述彈丸或戰(zhàn)斗部在侵徹目標歷程的運動規(guī)律、對目標的作用機理及破壞效應。侵徹引信作為侵徹彈藥的起爆大腦,感知目標和環(huán)境信息,并控制彈藥在最佳位置實施起爆達到預定毀傷效果。侵徹引信加速度過載作為起爆控制算法中重要的參考物理量,蘊含侵徹戰(zhàn)斗部在終點彈道中的穿靶計層信息。設計侵徹引信起爆控制算法,需要戰(zhàn)斗部侵徹終點彈道和引信過載特征的數(shù)據(jù)支撐。尤其在戰(zhàn)斗部高速或超高速侵徹狀態(tài)下,引信過載呈現(xiàn)高頻振蕩特征,常規(guī)起爆識別算法可能會造成控制失效,更需要加深對侵徹引信過載特征的認識。

2 侵徹戰(zhàn)斗部終點彈道和引信過載

2.1 數(shù)值計算方法

為了保證研究結論具有通用性,本文選取1 200 kg大型戰(zhàn)斗部侵徹4層混凝土靶板和9 m混凝土厚靶硬目標為研究對象。圖1給出1 200 kg戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶標模型。如圖所示,戰(zhàn)斗部包含外殼、炸藥、引戰(zhàn)連接結構和侵徹引信4部分。對于4層混凝土靶板,靶板抗壓強度C45,厚度(0.3+0.18×3) m,靶板幅面3 m×3 m,靶板垂直間距為3.5 m,靶板傾角80°;對于9 m混凝土厚靶,靶標抗壓強度C45,靶標長度9 m,靶標幅面3 m×3 m,厚靶傾角80°?？紤]到模型對稱性,建立1/2模型進行仿真計算,在不影響仿真精度的前提下對戰(zhàn)斗部進行幾何簡化清理。

圖1 1 200 kg戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶標模型

對1 200 kg戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶標模型進行有限元劃分如圖2所示。為了提高有限元仿真精度,采用六面體單元剖分方法。對單元進行光順處理以提升單元質量,保持戰(zhàn)斗部不同部件連接處單元密度一致以減小數(shù)據(jù)傳遞插值誤差。對靶標侵徹位置區(qū)域單元進行局部加密以準確捕捉侵徹過程中引信動態(tài)過載變化。本文進行了單元數(shù)量無關性驗證,最終確定侵徹4層混凝土靶板和9 m混凝土厚靶模型單元數(shù)量分別為183萬和386萬。

圖2 有限元單元劃分示意圖

戰(zhàn)斗部外殼材料為G50高強度鋼。炸藥選用雙線性隨動塑性材料模型,侵徹過程中不考慮炸藥爆炸效應。引戰(zhàn)連接結構和引信為鈦合金材料。表1給出戰(zhàn)斗部各組件材料模型參數(shù)?；炷涟邪暹x用HJC材料模型,采用kg-m-s單位制的材料模型參數(shù)如表2所示。定義合適的混凝土失效模型。

表1 戰(zhàn)斗部組件材料模型參數(shù)

戰(zhàn)斗部外殼與引戰(zhàn)連接結構、引戰(zhàn)連接結構和引信之間采用固連方式連接。戰(zhàn)斗部外殼與炸藥、炸藥與引戰(zhàn)連接結構、炸藥與引信之間采用面-面連接方式,可以承受壓力,承受拉力時面-面分離。戰(zhàn)斗部與混凝土靶板之間采用面-面侵蝕接觸模型,戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶板時會刪除達到失效標準的混凝土單元,戰(zhàn)斗部與刪除單元后的新表面形成面-面侵蝕接觸。采用縮減積分算法進行顯示動力學積分運算以加快計算速度,進行沙漏控制減小沙漏能輸出。

利用火箭撬實驗的戰(zhàn)斗部速度和引信過載數(shù)據(jù)進行1∶1的數(shù)值模擬來校核有限元仿真數(shù)值方法準確性。本文邊界和初始條件:戰(zhàn)斗部初始速度900 m/s,固定混凝土靶板四周,時間比例因子0.6,定義合適的數(shù)據(jù)輸出步長以有效捕捉戰(zhàn)斗部終點彈道變化和引信動態(tài)過載特征。

2.2 研究結果分析

2.2.1戰(zhàn)斗部侵徹4層混凝土靶板

戰(zhàn)斗部侵徹4層混凝土靶板對應打擊地面多層建筑作戰(zhàn)場景。圖3給出戰(zhàn)斗部侵徹4層C45混凝土靶板終點彈道與應力云圖。圖4給出4層混凝土靶板侵徹破壞形態(tài)?？梢钥吹?大型戰(zhàn)斗部在高速侵徹過程中保持自身姿態(tài)不變,4層混凝土靶板對戰(zhàn)斗部侵徹姿態(tài)的影響有限。戰(zhàn)斗部卵型部區(qū)域直接與混凝土靶板發(fā)生侵徹撞擊,侵徹過程中此處應力水平最高。混凝土靶板出現(xiàn)明顯的孔洞擴張隧道區(qū),隨后彈體頭部和混凝土背面間形成破碎塊沖塞。由于應力波傳遞機制,應力波動由彈頭向彈尾逐次傳播,并在戰(zhàn)斗部體發(fā)生反射和透射過程。戰(zhàn)斗部彈尾穿出靶板后,卵型部區(qū)域應力明顯下降。

圖3 戰(zhàn)斗部侵徹4層C45混凝土靶板終點彈道與應力云圖

圖4 混凝土靶板侵徹破壞形態(tài)

圖5給出侵徹4層C45混凝土靶板戰(zhàn)斗部速度曲線,圖中各時刻代表的典型穿靶過程物理含義如表3所示。對于戰(zhàn)斗部高速侵徹多層靶板,戰(zhàn)斗部速度呈現(xiàn)出明顯的階梯降低特征。彈尖碰靶后由于戰(zhàn)斗部在混凝土靶板進行開坑會受到明顯的阻力作用,戰(zhàn)斗部速度開始迅速降低。卵型部完全入靶后混凝土靶板形成完整的開坑隧道,侵徹此層混凝土靶板的戰(zhàn)斗部速度降低趨勢終止。在卵型部完全入靶到彈尾離靶區(qū)間內(nèi),戰(zhàn)斗部沿著開坑隧道前進,速度保持相對穩(wěn)定。在彈尾離靶到彈尖碰下一層混凝土靶板區(qū)間內(nèi),戰(zhàn)斗部在空中自由飛行,速度繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 侵徹4層C45混凝土靶板典型穿靶時刻

圖5 侵徹4層C45混凝土靶板時戰(zhàn)斗部速度曲線

圖6給出侵徹4層C45混凝土靶板引信加速度過載曲線。從圖中可以看到,戰(zhàn)斗部高速侵徹混凝土靶板,引信動態(tài)過載呈現(xiàn)明顯的高頻振蕩特征,難以準確進行層識別。這是因為戰(zhàn)斗部卵型部侵入靶板后由于彈靶之間發(fā)生劇烈撞擊,戰(zhàn)斗部內(nèi)激發(fā)出應力波。應力波首次傳遞到引信位置處引起引信過載峰值激勵,而后應力波在戰(zhàn)斗部內(nèi)不斷發(fā)生反射、投射等傳遞過程導致應力波逐漸衰減,引信過載曲線發(fā)生高頻振蕩,此時過載振蕩明顯低于過載峰值激勵,直至發(fā)生下一次彈靶撞擊并引起新的峰值激勵和振蕩。觀察圖6可知,引信加速度過載存在著4個過載峰值明顯高于前后過載振蕩幅值,峰值量級在40 000～50 000g,這與戰(zhàn)斗部高速侵徹4層混凝土物理過程相對應。由于侵徹引信安裝在戰(zhàn)斗部底部,彈尖區(qū)域碰靶首先激發(fā)應力波動而后傳遞到彈底引信位置需要一定時間,過載峰值位置出現(xiàn)在卵型部完全入靶ti2到彈尾離靶ti3的約前1/4區(qū)間時刻處。

2.2.2戰(zhàn)斗部侵徹9 m混凝土厚靶

戰(zhàn)斗部侵徹9 m混凝土厚靶對應打擊深埋高價值硬目標。圖7給出侵徹9 m C45混凝土厚靶戰(zhàn)斗部終點彈道和應力云圖。戰(zhàn)斗部以高速在混凝土厚靶進行開坑和形成隧道區(qū),彈尖區(qū)域因為直接與混凝土侵徹前端接觸,戰(zhàn)斗部在靶內(nèi)侵徹過程中此處應力水平最高。

圖7 侵徹9 m C45混凝土厚靶戰(zhàn)斗部終點彈道和應力云圖

圖8給出侵徹9 m C45混凝土厚靶戰(zhàn)斗部速度曲線。戰(zhàn)斗部在侵徹混凝土厚靶時速度變化較為平緩。自彈尖碰靶t1至彈尖出靶t4區(qū)間,戰(zhàn)斗部速度逐漸下降;隨著戰(zhàn)斗部侵入混凝土厚靶,戰(zhàn)斗部速度下降趨勢略有減緩;彈尖出靶t4至卵型部完全出靶t5區(qū)間,戰(zhàn)斗部下降速度放緩;卵型部完全出靶t5至彈尾出靶t6區(qū)間,由于混凝土隧道區(qū)完全形成,戰(zhàn)斗部速度保持不變。

圖8 侵徹9 m C45混凝土厚靶戰(zhàn)斗部速度曲線

圖9給出侵徹9 m C45混凝土厚靶引信加速度過載曲線。戰(zhàn)斗部侵徹混凝土厚靶過程中,引信動態(tài)過載高頻振蕩,過載峰值達9萬g量級。可以看到,由于應力波在彈體內(nèi)傳遞,彈尖碰靶t1至卵型部完全入靶t2區(qū)間內(nèi)引信過載較低,卵型部完全入靶t2至彈尖出靶t4區(qū)間內(nèi)引信過載劇烈振蕩,引信過載峰值出現(xiàn)在彈尾入靶t3時刻。彈尖出靶后引信過載迅速降低到較低水平。

圖9 侵徹9 m C45混凝土厚靶引信加速度過載曲線

3 數(shù)值計算驗證

以某全尺寸戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板火箭撬動態(tài)試驗為基準,建立1∶1有限元仿真模型,進行數(shù)值計算驗證。動態(tài)試驗工況為1 200 kg戰(zhàn)斗部高速侵徹10層混凝土試驗,首層靶板厚度0.3 m,其余9層靶板厚度0.18 m,靶板垂直間距3.5 m。在高速侵徹試驗中,侵徹引信加速度傳感器獲取加速度過載信息,侵徹引信依據(jù)過載信號特征進行目標識別與炸點控制。對于侵徹引信加速度過載,最重要的過載特征為侵徹過載峰值、過載脈寬?；?.1節(jié)數(shù)值計算方法,本文進行沖擊動力學有限元數(shù)值計算,并選取具有典型代表性的侵徹過載峰值、脈寬作為評價指標,比較試驗與仿真的過載特征以驗證數(shù)值計算方法正確性。圖10和圖11分別給出侵徹過載峰值、脈寬對比結果?？梢钥吹?利用本文有限元仿真方法進行數(shù)值計算可以準確地對戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土及引信過載特征進行描述。

圖10 戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載峰值對比

圖11 戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載脈寬對比

4 結論

本文基于高速侵徹彈藥打擊地面多層建筑與深埋高價值硬目標場景,建立了包含戰(zhàn)斗部外殼、炸藥、引戰(zhàn)結構、引信和目標靶板的有限元仿真模型,分析了戰(zhàn)斗部終點彈道特性、混凝土靶板侵徹破壞形態(tài)和引信動態(tài)過載特征,研究了戰(zhàn)斗部穿靶歷程和戰(zhàn)斗部速度變化、引信過載的時空對應規(guī)律,主要研究結論如下:

1) 戰(zhàn)斗部高速侵徹4層C45混凝土靶板時,混凝土靶板出現(xiàn)明顯的隧道區(qū),卵型部直接與靶板撞擊導致應力最高。戰(zhàn)斗部速度呈現(xiàn)出明顯的階梯降低特征,在彈尖碰靶至卵型部完全入靶區(qū)間戰(zhàn)斗部速度開始迅速降低,而后在彈尖碰下一層靶板前速度保持相對穩(wěn)定。引信動態(tài)過載呈現(xiàn)明顯的高頻振蕩特征并存在4個過載峰值,過載峰值位置出現(xiàn)在卵型部完全入靶到彈尾離靶的約前1/4 區(qū)間時刻處,可為依據(jù)引信過載曲線設計識別與起爆算法并最終控制戰(zhàn)斗部在最佳位置實施起爆提供理論基礎和數(shù)據(jù)支撐。

2) 戰(zhàn)斗部高速侵徹9 m C45混凝土厚靶時,戰(zhàn)斗部在混凝土厚靶進行開坑和形成隧道區(qū),彈尖碰靶至彈尖出靶區(qū)間戰(zhàn)斗部速度逐漸下降,隨著戰(zhàn)斗部侵入混凝土厚靶戰(zhàn)斗部的速度下降趨勢略減緩。卵型部完全入靶至彈尖出靶區(qū)間內(nèi)引信過載劇烈振蕩,引信過載峰值出現(xiàn)在彈尾入靶時刻。