邵志豪，梁灝鴻，梁灝鴻，李彩芳，張 珂

(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710065；2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

隨著硬目標(biāo)攻防雙方的對(duì)抗加劇，高價(jià)值硬目標(biāo)的防護(hù)能力越來(lái)越強(qiáng)。重點(diǎn)打擊的高價(jià)值目標(biāo)從地面轉(zhuǎn)移到地下。隨著侵徹彈藥的毀傷威力的不斷提高，地下基地、機(jī)庫(kù)等重要的軍事建筑物防御也不斷地加固，在深層高價(jià)值目標(biāo)的上面往往覆蓋著高強(qiáng)度的鋼筋混凝土加強(qiáng)防護(hù)，或者在花崗巖的山體里建造重要的地下基地。

為了穿透復(fù)雜、高強(qiáng)度的高價(jià)值硬目標(biāo)，大幅度提高動(dòng)能彈的侵徹速度、提升彈藥的侵徹能力已成為提高武器系統(tǒng)打擊能力的必然手段[1-8]。受侵徹目標(biāo)結(jié)構(gòu)各向異性、材料非均勻性和侵徹工況復(fù)雜性綜合影響，侵徹過(guò)程彈體多物理場(chǎng)響應(yīng)是復(fù)雜的力學(xué)、電磁學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，對(duì)超高速侵徹過(guò)程研究缺乏，使得侵徹引信準(zhǔn)確識(shí)別層數(shù)和侵徹深度誤判嚴(yán)重。侵徹速度的大幅度提高，對(duì)引信的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，同時(shí)也導(dǎo)致多重結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力波往復(fù)傳遞、疊加、震蕩，使得引信無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)目標(biāo)層，而且戰(zhàn)斗部易發(fā)生明顯的質(zhì)量損失情況，引起侵徹戰(zhàn)斗部頭部鈍化甚至結(jié)構(gòu)破壞失效，嚴(yán)重影響戰(zhàn)斗部的侵徹能力[9-16]。當(dāng)彈體以超過(guò)700 m/s速度侵徹多層目標(biāo)時(shí)，通過(guò)傳感器采集的過(guò)載信號(hào)往往會(huì)受到大量振蕩信號(hào)的影響。特別是，震蕩信號(hào)在傳感器輸出中引起干擾，將目標(biāo)層信息完全淹沒(méi)。中、低速下原來(lái)清晰的目標(biāo)層過(guò)載變得難以分辨，引信無(wú)法準(zhǔn)確地辨識(shí)目標(biāo)層，計(jì)層精度下降。

研究人員發(fā)現(xiàn)在高速侵徹過(guò)程中，貧鈾合金和鎢基合金彈體表現(xiàn)出自銳化現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的根本原因在于材料本身具有較強(qiáng)的剪切失穩(wěn)性和變形局部化敏感性。在侵徹的極端環(huán)境中，這些材料更容易形成絕熱剪切帶和裂紋，導(dǎo)致彈體頭部不斷削尖，呈現(xiàn)出自銳化的特征[17]。該材料的自銳特性可以顯著降低彈靶沖擊接觸面，較尖銳的彈頭形狀能夠有效減小侵徹阻力，使彈體更為有效地穿透目標(biāo)，增強(qiáng)其侵徹性能。

文獻(xiàn)[18]中研究人員發(fā)現(xiàn)鎢纖維復(fù)合材料在侵徹試驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)出絕熱剪切自銳行為。進(jìn)一步突顯了復(fù)合材料在高速?zèng)_擊環(huán)境下的獨(dú)特性質(zhì)。對(duì)鎢纖維金屬玻璃復(fù)合材料的研究，文獻(xiàn)[19]系統(tǒng)總結(jié)了這些材料在壓縮剪切變形和斷裂特性方面的進(jìn)展。文獻(xiàn)[20]中對(duì)鎢纖維增強(qiáng)金屬玻璃復(fù)合材料分段彈體的研究提供了深入的實(shí)證分析，為了解這種復(fù)合材料的彈體行為提供了重要的科學(xué)數(shù)據(jù)。這有助于未來(lái)設(shè)計(jì)更優(yōu)越的復(fù)合材料彈體。文獻(xiàn)[21]通過(guò)試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證彈體頭部自銳化現(xiàn)象可以保持較小的侵徹阻力，從而提高彈體的侵徹能力，在軍事應(yīng)用中顯現(xiàn)出更高的效能。

在高速侵徹鋼筋混凝土目標(biāo)的復(fù)雜環(huán)境中，目標(biāo)內(nèi)部的鋼筋受到地磁磁化，自銳戰(zhàn)斗部引信位置的磁場(chǎng)環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化。使用磁性探測(cè)傳感器可以有效檢測(cè)動(dòng)態(tài)侵徹過(guò)程中的磁場(chǎng)變化信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)磁場(chǎng)特征判斷自銳戰(zhàn)斗部侵入的目標(biāo)信息。基于地磁場(chǎng)的磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)可以有效識(shí)別且不易受到外界干擾信號(hào)的影響，該優(yōu)勢(shì)促進(jìn)了磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的深入研究和廣泛應(yīng)用。

國(guó)外研究者們通過(guò)多年的實(shí)踐和理論探索，在地磁探測(cè)領(lǐng)域取得了顯著的成果。這些成果既包括對(duì)地磁探測(cè)技術(shù)的基本原理的深刻理解，也涉及到創(chuàng)新性的方法研究。文獻(xiàn)[22]提出的新型磁異信號(hào)檢測(cè)方法標(biāo)志著地磁探測(cè)技術(shù)的新里程碑；文獻(xiàn)[23]提出了一種鐵磁性目標(biāo)的檢測(cè)新方法，該方法注重對(duì)磁信號(hào)能量的歸一化處理，旨在通過(guò)精準(zhǔn)的能量分析來(lái)提高目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)[24]中的研究者使用熵濾波器為探測(cè)鐵磁目標(biāo)提供了一種新的手段。

當(dāng)前，我國(guó)在自銳侵徹戰(zhàn)斗部高速自銳侵徹鋼筋混凝土中的磁異信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域正處于初步探索的階段。這一新興領(lǐng)域的研究目前主要集中在理論探討和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面，力圖揭示高速自銳侵徹過(guò)程中磁場(chǎng)變化的規(guī)律。文獻(xiàn)[25]中研究者通過(guò)建立弱磁物體在地磁場(chǎng)中磁化作用下的感應(yīng)磁場(chǎng)矢量場(chǎng)模型，為后續(xù)研究提供了有力的理論支持。該研究注重全張量磁場(chǎng)梯度探測(cè)法和目標(biāo)物體定位算法的研究，尤其在矢量探測(cè)和磁場(chǎng)梯度技術(shù)的應(yīng)用上取得了一系列前沿突破。這種方法的提出為磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究提供了新的視角。文獻(xiàn)[27]中研究者針對(duì)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下激光、紅外和無(wú)線(xiàn)電引信探測(cè)識(shí)別精度不高的問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)閾值的目標(biāo)檢測(cè)和模糊推理的磁探測(cè)引信目標(biāo)識(shí)別算法。我國(guó)各大高校和科研機(jī)構(gòu)積極參與磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究，從不同側(cè)面深入研究了磁場(chǎng)變化與目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)系。

戰(zhàn)斗部在高速自銳侵徹過(guò)程中引信動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和磁場(chǎng)特征會(huì)發(fā)生顯著變化，可為高速自銳侵徹戰(zhàn)斗部引信設(shè)計(jì)提供參考。目前，對(duì)高速自銳侵徹戰(zhàn)斗部尚缺少引信動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)特征研究。本文基于高速自銳戰(zhàn)斗部侵徹堅(jiān)固厚靶和多層混凝土靶板典型硬目標(biāo)場(chǎng)景，分別構(gòu)建了包含自銳戰(zhàn)斗部、引信、裝藥、引戰(zhàn)連接、混凝土靶標(biāo)等的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和磁場(chǎng)響應(yīng)分析模型，本文旨在解決傳統(tǒng)方法中彈體結(jié)構(gòu)振蕩引起的引信部位加速度過(guò)載信號(hào)難以清晰辨認(rèn)的問(wèn)題。磁異信號(hào)探測(cè)技術(shù)的引入，可以有效提高信號(hào)的清晰度和可辨識(shí)性。通過(guò)在引信部位安裝磁傳感器，充分利用地磁場(chǎng)信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)侵徹過(guò)程中鋼筋混凝土靶板周?chē)h(huán)境的精準(zhǔn)探測(cè)。為侵徹目標(biāo)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)方法相比，融合了磁信號(hào)檢測(cè)的方法不受戰(zhàn)斗部長(zhǎng)徑比和層間距變化的限制。該方法具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，研究的高速自銳侵徹狀態(tài)下引信的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和磁場(chǎng)特征，可以為高速自銳侵徹戰(zhàn)斗部引信起爆控制策略提供設(shè)計(jì)參考和理論支撐。

1 數(shù)值計(jì)算方法

本文選用600 kg大型自銳戰(zhàn)斗部在高速動(dòng)態(tài)侵徹6 m混凝土靶模型，旨在揭示自銳戰(zhàn)斗部在沖擊下對(duì)堅(jiān)固目標(biāo)引信位置力學(xué)響應(yīng)特性。600 kg戰(zhàn)斗部侵徹6 m C40混凝土厚靶的三維模型如圖1所示。有限元單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。對(duì)于6 m混凝土靶板，靶板抗壓強(qiáng)度C40，靶標(biāo)厚度6 m，靶板幅面2 m×2 m?？紤]到模型求解效率以及侵徹過(guò)程中模型的對(duì)稱(chēng)性，建立1/2模型進(jìn)行仿真計(jì)算，在不影響仿真精度的前提下對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化清理，刪除引信及戰(zhàn)斗部模型的倒角及不影響應(yīng)力傳遞的結(jié)構(gòu)。為了提高有限元仿真精度，采用六面體單元剖分方法進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑骟w網(wǎng)格可以在求解過(guò)程中，更準(zhǔn)確地表達(dá)應(yīng)力梯度變化較大位置的形變。對(duì)靶板的侵徹部位進(jìn)行有限元單元加密保證侵徹?cái)?shù)值仿真的正確性。對(duì)單元進(jìn)行光順處理以提升整體單元質(zhì)量，保持戰(zhàn)斗部的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。

圖1 600 kg戰(zhàn)斗部侵徹6 m C40混凝土厚靶模型

圖2 有限元單元?jiǎng)澐质疽鈭D

圖3 鋼筋混凝土靶板網(wǎng)格細(xì)分

侵徹動(dòng)力學(xué)模型中為兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率，在應(yīng)力變化平緩且對(duì)整體模型影響不大的部位布置較為稀疏的網(wǎng)格，在戰(zhàn)斗部侵徹鋼筋混凝土目標(biāo)的穿孔部位布置密集的網(wǎng)格，通過(guò)設(shè)計(jì)劃分鋼筋混凝土迎彈面，靶板邊緣網(wǎng)格單元尺寸與穿孔位置單元尺寸比為8∶1，對(duì)比常規(guī)網(wǎng)格劃分方式，單元數(shù)量下降約2～3倍。

戰(zhàn)斗部外殼材料為G50高強(qiáng)度鋼。戰(zhàn)斗部頭部材料為鎢基合金。引戰(zhàn)連接結(jié)構(gòu)和引信為T(mén)C4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)和失效模型參數(shù)如表2和表3所示。

表1 戰(zhàn)斗部組件材料模型參數(shù)

表2 混凝土靶板材料模型參數(shù)

表3 混凝土靶板材料失效模型參數(shù)

靶板邊緣設(shè)置固定約束，約束X/Y/Z三方向的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，綜合考慮靶板邊界效應(yīng)影響與文件求解效率，在不影響求解精度前提下，合理控制靶板靶面尺寸，使用NON_REFLECTING命令施加無(wú)反射邊界條件模擬無(wú)限大空間靶板。

戰(zhàn)斗部外殼與引戰(zhàn)連接結(jié)構(gòu)、引戰(zhàn)連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(shí)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(shí)會(huì)刪除達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)積分運(yùn)算以加快計(jì)算速度，進(jìn)行沙漏控制減小沙漏能輸出。大型戰(zhàn)斗部以1 700 m/s速度高速侵徹混凝土厚靶，設(shè)置輸出應(yīng)力、應(yīng)變以及單元節(jié)點(diǎn)等數(shù)據(jù)結(jié)果。

研究中采用了COMSOL軟件進(jìn)行建模仿真，建立戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)侵徹多層鋼筋混凝土磁場(chǎng)模型，進(jìn)行侵徹戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)的磁特征數(shù)值仿真，對(duì)磁信號(hào)特征分析，分析戰(zhàn)斗部與引信周?chē)艌?chǎng)特性。磁場(chǎng)模型中自銳戰(zhàn)斗部引信位置可實(shí)時(shí)探測(cè)侵徹穿靶過(guò)程中的磁異信號(hào)，忽略戰(zhàn)斗部侵徹鋼筋混凝土過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)，僅考慮磁場(chǎng)特性。

多層建筑物目標(biāo)的主要結(jié)構(gòu)材料包括：C40混凝土；HPB300鋼筋，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=270 N/mm2?；诂F(xiàn)實(shí)多層建筑物的鋼筋混凝土材料參數(shù)，開(kāi)展戰(zhàn)斗部侵徹4層鋼筋混凝土靶板磁場(chǎng)仿真，建立靶板幾何模型，如圖4所示。靶板面積為2 m×2 m，首層靶厚度為0.3 m，其它層靶板厚度為0.18 m，目標(biāo)內(nèi)層鋼筋，鋼筋直徑為16 mm，橫豎交織組成網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)為150 mm的鋼筋網(wǎng)格，首層靶板布置兩層鋼筋，鋼筋距離靶板表面0.05 m，兩層鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)間隔0.2 m，其它層靶板鋼筋距離靶板表面0.03 m，兩層鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)間隔0.12 m。

圖4 混凝土靶板磁場(chǎng)仿真模型

鋼筋混凝土由水泥、沙和不同規(guī)格比例的石粒組成，上述材質(zhì)不存在磁性，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，鋼筋相對(duì)磁導(dǎo)率為700?？臻g分析域材料為空氣，模擬靶板周?chē)h(huán)境[26]。設(shè)定的域中地磁場(chǎng)強(qiáng)度為5.5×10-5T。磁傾角為1.570 8 rad，磁偏角為0 rad，由于彈體為高強(qiáng)度鋼材，因此設(shè)置彈體相對(duì)磁導(dǎo)率為50。

在鋼筋混凝土靶板結(jié)構(gòu)中，鋼筋網(wǎng)屬于高導(dǎo)磁率的材料，會(huì)很大削弱流經(jīng)靶板內(nèi)部的磁場(chǎng)大小。磁場(chǎng)在弱導(dǎo)磁材料的空氣環(huán)境與高導(dǎo)磁材料兩個(gè)不同介質(zhì)間傳輸，由于傳輸介質(zhì)界面的不連續(xù)性，使得麥克斯韋電磁方程組的微分關(guān)系不再適用，但依然滿(mǎn)足積分關(guān)系[26]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 自銳侵徹引信動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性

自銳戰(zhàn)斗部侵徹6 m C40混凝土靶板對(duì)應(yīng)打擊地下深埋堅(jiān)固目標(biāo)作戰(zhàn)場(chǎng)景。隨著侵徹戰(zhàn)斗部速度的不斷提高，在高速侵徹中，彈體明顯經(jīng)歷磨蝕。磨蝕作用于彈體表面，引發(fā)彈體性能變化。侵徹可能導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)性破壞，甚至失效。在超高速侵徹條件下，彈體表面經(jīng)歷高溫高壓很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了磨蝕。高速磨蝕同時(shí)伴生材料融化、相變、金屬屑氧化以及與靶板粒子間化學(xué)反應(yīng)。

在高速侵徹過(guò)程中，彈體與靶板接觸界面上所產(chǎn)生的沖擊壓力不可忽視。這一沖擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了材料的強(qiáng)度極限，從而引起了彈體和靶板的破碎。圖5展示了彈體高速侵徹厚混凝土靶板的結(jié)果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)空腔膨脹理論和沖塞機(jī)理在彈體高速侵徹中的適用性。隨著彈體不斷深入，侵徹過(guò)程逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定模式。這一階段的特征是彈坑處材料流動(dòng)的困難，同時(shí)伴隨著戰(zhàn)斗部頭部前方混凝土的持續(xù)侵蝕，彈坑和擴(kuò)孔效應(yīng)逐漸形成。在高速侵徹的極端環(huán)境中，彈體頭部表層自銳材料經(jīng)歷了絕熱過(guò)程，導(dǎo)致溫度的急劇升高。這一現(xiàn)象引發(fā)了材料的熔化和軟化，進(jìn)而形成絕熱剪切帶。自銳材料的頭部在侵徹過(guò)程中產(chǎn)生絕熱剪切帶和裂紋，這一自銳化現(xiàn)象導(dǎo)致彈體頭部不斷削尖，保持小面積接觸，顯著提升了侵徹能力。

圖5 自銳戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶板毀傷破壞時(shí)歷過(guò)程

圖6給出了自銳戰(zhàn)斗部以1 700 m/s速度垂直侵徹6米厚C40混凝土靶板的速度時(shí)間曲線(xiàn)，整個(gè)侵徹過(guò)程穿孔時(shí)間約為6 ms，戰(zhàn)斗部速度大致呈線(xiàn)性衰減，殘余速度為820 m/s左右，下降幅度為52%。

圖6 自銳戰(zhàn)斗部穿靶速度時(shí)歷曲線(xiàn)

圖7給出自銳戰(zhàn)斗部多個(gè)位置的侵徹應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)。曲線(xiàn)1為戰(zhàn)斗部頭部自銳材料受到的應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，在1 ms時(shí)刻，該點(diǎn)的應(yīng)力峰值達(dá)到3.11×109Pa，極大地超過(guò)了自銳材料的強(qiáng)度極限，隨后該點(diǎn)在侵徹過(guò)程中失效，剝離戰(zhàn)斗部。曲線(xiàn)2為戰(zhàn)斗部尾部受到的應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，在4.9 ms時(shí)刻，應(yīng)力峰值達(dá)到3.701×107Pa；曲線(xiàn)3為引信位置彈軸方向應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，4.3 ms時(shí)刻，應(yīng)力峰值達(dá)到5.347×107Pa。在自銳戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)侵徹厚目標(biāo)鋼筋混凝土過(guò)程中，戰(zhàn)斗部頭部受到的應(yīng)力約為尾部的84倍，約為引信位置應(yīng)力的58.16倍。頭部鎢基合金材料在極端惡劣侵徹環(huán)境下可形成絕熱剪切帶，彈頭在高壓力下不斷削尖使得彈、靶沖擊接觸面積小，從而侵徹阻力減小，極大增強(qiáng)了彈體侵徹能力。

圖7 戰(zhàn)斗部各位置應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)

圖8 給出了自銳戰(zhàn)斗部在以1 700 m/s高速條件動(dòng)態(tài)侵徹鋼筋混凝土目標(biāo)過(guò)程中戰(zhàn)斗部質(zhì)量損失曲線(xiàn)，戰(zhàn)斗部原總質(zhì)量為600 kg，0.48～1.44 ms時(shí)間曲線(xiàn)內(nèi)，戰(zhàn)斗部由600 kg下降至503 kg，此時(shí)質(zhì)量下降速率約為101.04 kg/ms；1.44～1.8 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi)，戰(zhàn)斗部質(zhì)量由503 kg下降至476.5 kg，此時(shí)質(zhì)量下降速率約為73.61 kg/ms；1.8～2.16 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi)，戰(zhàn)斗部質(zhì)量由476.5 kg下降至458.5 kg，此時(shí)質(zhì)量下降速率約為50 kg/ms；2.16～3.6 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi)，戰(zhàn)斗部質(zhì)量由458.5 kg下降至411.8 kg，此時(shí)質(zhì)量下降速率約為32.43 kg/ms；3.6～6 ms時(shí)間區(qū)間內(nèi)，戰(zhàn)斗部質(zhì)量由458.5 kg下降至411.8 kg，此時(shí)質(zhì)量下降速率約為24.25 kg/ms。

圖8 戰(zhàn)斗部質(zhì)量下降曲線(xiàn)

圖9給出自銳戰(zhàn)斗部引信加速度過(guò)載曲線(xiàn)。由圖9引信過(guò)載數(shù)據(jù)可知，傳感器測(cè)得的過(guò)載峰值約為52 100 g，高速撞擊厚混凝土靶板時(shí)，由于靶板侵徹阻力，戰(zhàn)斗部受到?jīng)_擊過(guò)載，激發(fā)應(yīng)力波在彈體內(nèi)傳播并反復(fù)振蕩，由碰靶到侵徹過(guò)載卸載到0歷時(shí)6 ms左右。

圖9 自銳戰(zhàn)斗部引信加速度過(guò)載曲線(xiàn)

3 自銳侵徹引信磁場(chǎng)響應(yīng)特性

磁探測(cè)技術(shù)的核心是通過(guò)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的微小變化來(lái)推斷目標(biāo)的存在和信息。軍事領(lǐng)域中的地上多層目標(biāo)或地下堅(jiān)固目標(biāo)建筑廣泛使用鐵磁性鋼筋作為建筑基材以提高建筑的整體強(qiáng)度和抗沖擊爆炸性能。這為磁探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了前提。相關(guān)研究表明，在自銳侵徹戰(zhàn)斗部中攜帶磁體探測(cè)傳感器，能夠在目標(biāo)打擊過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性堅(jiān)固目標(biāo)的高效定位和感知。地磁場(chǎng)探測(cè)作為一種實(shí)時(shí)探測(cè)目標(biāo)的手段，在侵徹引信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)可以作為侵徹層數(shù)和侵徹深度等參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量手段。通過(guò)對(duì)地磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化的分析，可以獲取目標(biāo)關(guān)鍵的參數(shù)信息，從而提高侵徹引信起爆控制能力和炸點(diǎn)精度。新型磁傳感器的小型化與在極端環(huán)境下優(yōu)良的抗沖擊能力為磁探測(cè)技術(shù)在大型自銳侵徹戰(zhàn)斗部侵徹引信目標(biāo)感知與炸點(diǎn)控制的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超高速自銳戰(zhàn)斗部引信磁場(chǎng)響應(yīng)研究，是對(duì)彈丸侵徹目標(biāo)過(guò)程中引信敏感磁場(chǎng)變化的研究。采用數(shù)值仿真技術(shù)，建立彈體和目標(biāo)的模型，進(jìn)行侵徹戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)的磁特征數(shù)值仿真，對(duì)磁信號(hào)特征分析。

鋼筋混凝土靶板受地磁場(chǎng)磁化如圖10所示，可以看出鋼筋受地磁場(chǎng)作用時(shí)，鋼筋內(nèi)原子和分子的磁矩會(huì)根據(jù)地磁場(chǎng)的方向重新排列、變得大致相同，鋼筋被磁化，兩端對(duì)外界顯示出較強(qiáng)的磁作用，形成磁極，其N(xiāo)極為地磁場(chǎng)投影在鋼筋正方向。

圖10 鋼筋混凝土靶板受地磁場(chǎng)磁化示意圖

磁場(chǎng)從空氣進(jìn)入鋼筋混凝土靶板內(nèi)部時(shí)，鋼筋的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率，使大部分磁力線(xiàn)積聚于鋼筋中[26]。圖11為磁化后鋼筋產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，圖12為鋼筋混凝土靶板受地磁場(chǎng)磁化后磁場(chǎng)分布。鋼筋被磁化后具有磁性，產(chǎn)生如圖11所示的磁場(chǎng)，影響其周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度(磁通密度)如圖12所示，可以看出由于磁化后鋼筋的N-S極與地球磁極相反，所以鋼筋周?chē)艌?chǎng)方向與地磁場(chǎng)方向相反，鋼筋內(nèi)部磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)方向相同，因此鋼筋周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度降低，鋼筋處磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。

圖11 磁化后鋼筋產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布圖

圖12 鋼筋混凝土靶板受地磁場(chǎng)磁化后磁場(chǎng)分布圖

仿真計(jì)算得到鋼筋混凝土靶板中心線(xiàn)的X、Y、Z軸磁通密度如圖13所示，可以看出當(dāng)?shù)卮艃A角為90°、地磁偏角為0°(即地磁場(chǎng)垂直于靶板中心線(xiàn))時(shí)，X、Y軸磁通密度幅值小、信號(hào)無(wú)規(guī)律、穿層特征不明顯；Z軸磁通密度幅值大、信號(hào)規(guī)則、穿層特征明顯；靶板表面磁通密度急速下降，鋼筋處急劇上升；首層靶板的兩層鋼筋架間隔較大，侵徹靶板過(guò)程中Z軸磁通密度出現(xiàn)兩個(gè)幅值較小的尖峰；其余靶板的兩層鋼筋架間隔較小，侵徹靶板過(guò)程中Z軸磁通密度出現(xiàn)一個(gè)幅值較大的尖峰。因此選用Z軸磁通密度進(jìn)一步分析侵徹過(guò)程磁場(chǎng)影響因素。

圖13 鋼筋混凝土靶板中心線(xiàn)的X、Y、Z軸磁通密度

圖13給出多層鋼筋磁感應(yīng)強(qiáng)度。在高速自銳戰(zhàn)斗部侵徹靶板的過(guò)程中，磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化與鋼筋的聚磁作用密切相關(guān)。這種作用導(dǎo)致了靶板中心軸線(xiàn)上磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻分布。鋼筋的磁屏蔽效應(yīng)影響下，靶板中的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，在自銳戰(zhàn)斗部穿越兩層靶板之間時(shí)，引信位置磁場(chǎng)強(qiáng)度得以恢復(fù)。

將地磁場(chǎng)強(qiáng)度以5 000 nT間隔從30 000 nT遞增至60 000 nT，鋼筋混凝土靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度如圖14所示，可以看出地磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，Z軸磁通密度幅值越大。侵徹靶板層信號(hào)特征越明顯。

圖14 不同地磁場(chǎng)強(qiáng)度下靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度

地磁傾角以10°間隔從0°遞增至90°，鋼筋混凝土靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度如圖15所示，可以看出當(dāng)?shù)卮艃A角為0°(地磁場(chǎng)與靶板中心線(xiàn)平行)時(shí)，Z軸磁通密度幅值為0；地磁傾角越大，鋼筋被磁化后的磁性越強(qiáng)，靶板表面磁通密度下降幅度越大，侵徹靶板層信號(hào)特征越明顯。由地磁場(chǎng)分布與磁化原理可知，Z軸磁通密度不受地磁偏角影響。

圖15 不同地磁傾角下靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度

將鋼筋半徑以1 mm間隔從6 mm遞增至9 mm，鋼筋混凝土靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度如圖16所示，可以看出鋼筋半徑越大，鋼筋被磁化后的磁性越強(qiáng)，靶板表面磁通密度越低，侵徹靶板層信號(hào)特征越明顯。

圖16 不同鋼筋直徑下靶板中心線(xiàn)的Z軸磁通密度

4 數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

本文以某型戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板平衡炮動(dòng)態(tài)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立有限元仿真模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證。試驗(yàn)提供了仿真模型的基準(zhǔn)，使研究能夠在試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值驗(yàn)證。

在高速侵徹試驗(yàn)中，通過(guò)侵徹引信加速度傳感器獲取加速度過(guò)載信息，侵徹引信依據(jù)采集到的加速度信息提取信號(hào)特征，用于進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別與炸點(diǎn)控制。為后續(xù)的數(shù)值計(jì)算提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和侵徹引信算法的關(guān)鍵參數(shù)。研究采用侵徹動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真方法，按照平衡炮動(dòng)態(tài)試驗(yàn)工況建立1∶1比例的三維模型。

在數(shù)值計(jì)算中，選取侵徹過(guò)載峰值和層間持續(xù)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)可以作為仿真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證基準(zhǔn)參數(shù)，能夠綜合反映侵徹過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，為試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比提供了有力的驗(yàn)證手段。

圖17和圖18給出的侵徹過(guò)載峰值和層間持續(xù)時(shí)間對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的正確性，兩者的一致性可以有效評(píng)估數(shù)值計(jì)算在模擬實(shí)際試驗(yàn)中的準(zhǔn)確性。

圖17 戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板引信過(guò)載峰值

圖18 戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板引信過(guò)載層間持續(xù)時(shí)間

可以看到，利用本文有限元仿真方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算可以準(zhǔn)確地對(duì)自銳戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土及引信過(guò)載特征進(jìn)行描述，本文計(jì)算結(jié)果和研究結(jié)論具有參考性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選取自銳侵徹戰(zhàn)斗部打擊多層混凝土靶板和堅(jiān)固厚靶的硬目標(biāo)作為研究的工況，旨在深入研究高速自銳戰(zhàn)斗部侵徹引信在不同工況條件中的侵徹響應(yīng)特性。建立了600公斤級(jí)自銳侵徹戰(zhàn)斗部高速動(dòng)態(tài)侵徹堅(jiān)固厚目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型與侵徹4層目標(biāo)的磁場(chǎng)響應(yīng)模型，通過(guò)建模和仿真，探索了在高速侵徹狀態(tài)下引信的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和磁場(chǎng)特征。主要研究結(jié)論如下：

在引信動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的研究中，建立的自銳戰(zhàn)斗部侵徹6 m C40混凝土靶板模型，戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶板歷程，侵蝕后的靶板呈現(xiàn)出漏斗形狀，隨著戰(zhàn)斗部侵徹的深入，應(yīng)力波的稀疏效應(yīng)逐漸減弱，戰(zhàn)斗部的速度線(xiàn)性衰減，并在最終進(jìn)入穩(wěn)定侵徹模式的過(guò)程中，速度下降約52%。由于應(yīng)力波在戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部的傳遞與疊加導(dǎo)致引信位置檢測(cè)的過(guò)載信號(hào)較為震蕩。整個(gè)侵徹過(guò)程穿孔時(shí)間約為6 ms，戰(zhàn)斗部速度大致呈線(xiàn)性衰減，殘余速度為820 m/s左右，下降幅度為52%。由于靶板侵徹阻力，戰(zhàn)斗部受到?jīng)_擊過(guò)載，激發(fā)應(yīng)力波在彈體內(nèi)傳播并反復(fù)振蕩，碰靶到侵徹過(guò)載卸載到0歷時(shí)6 ms左右。在自銳戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)侵徹厚目標(biāo)鋼筋混凝土過(guò)程中，戰(zhàn)斗部頭部受到的應(yīng)力最大，在極端惡劣侵徹環(huán)境下可形成絕熱剪切帶，在彈體頭部發(fā)生自銳化效應(yīng)，從而增強(qiáng)彈體侵徹能力。對(duì)于自銳戰(zhàn)斗部侵徹多層鋼筋混凝土靶板，由于鋼筋對(duì)磁力線(xiàn)的聚磁作用，在靶板附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，并且在鋼筋混凝土邊緣附件磁場(chǎng)最大。當(dāng)給靶板施加沿Z軸的地磁場(chǎng)時(shí)，磁力線(xiàn)主要途經(jīng)鋼筋內(nèi)，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)格內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小。地磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，Z軸磁通密度幅值越大。地磁傾角越大，鋼筋被磁化后的磁性越強(qiáng)，靶板表面磁通密度下降幅度越大，侵徹靶板特征越明顯。鋼筋半徑越大，鋼筋被磁化后的磁性越強(qiáng)，靶板表面磁通密度越低，侵徹靶板特征越明顯。