孫亞杰, 梁 軻, 馬孟新, 牛蘭杰

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

戰(zhàn)斗部侵徹多層混凝土靶板過程中,引信要從加速度信號(hào)中獲取目標(biāo)的層數(shù)信息,從而控制戰(zhàn)斗部在預(yù)定層起爆。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,各國(guó)對(duì)地下指揮中心、機(jī)庫等高價(jià)值目標(biāo)的防護(hù)越來越復(fù)雜、堅(jiān)固,迫使侵徹彈藥速度不斷提高,以達(dá)到高效毀傷。但隨著侵徹速度的提高,彈體侵徹多層混凝土靶板的過載信號(hào)會(huì)出現(xiàn)粘連,這對(duì)引信的計(jì)層識(shí)別能力提出了更高的要求。

侵徹過載信號(hào)主要由3部分組成:剛體過載、應(yīng)力波振蕩形成的彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)、測(cè)試系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲[1-2]。

文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[5]對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,認(rèn)為過載信號(hào)主頻與彈體軸向固有頻率接近,但沒有深入研究不同工況對(duì)過載信號(hào)主頻的影響。文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[12]提出對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波、小波分解等,可以消除侵徹過載的層間粘連,但沒有研究濾波截止頻率選取的依據(jù)。另外,傳統(tǒng)使用固定閾值的層目標(biāo)識(shí)別方法也難以滿足引信的發(fā)展要求。

本文提出彈體侵徹多層混凝土靶板的層目標(biāo)識(shí)別方法:首先對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波得到近似剛體過載;然后根據(jù)自適應(yīng)判層閾值、信號(hào)脈寬對(duì)近似剛體過載信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別當(dāng)前層數(shù)。

1 彈體模態(tài)分析

1.1 一維圓桿軸向振動(dòng)特性

彈體垂直侵徹時(shí),彈靶作用力會(huì)激發(fā)出彈體的多種振動(dòng)模態(tài),使得彈體劇烈振動(dòng),主要以軸向振動(dòng)為主。由應(yīng)力波傳播理論可知,一維圓桿軸向振動(dòng)的固有頻率為[13]

(1)

式中:i為固有頻率的階數(shù);C為一維圓桿中彈性縱波波速;L為一維圓桿長(zhǎng)度。

1.2 彈體模態(tài)分析

采用有限元軟件對(duì)彈體進(jìn)行模態(tài)分析,彈長(zhǎng)980 mm,彈徑180 mm,材料為38CrMnSiA,主要材料參數(shù)[14-16]如表1所示。采用Ansys Workbench建立彈體的有限元模型,如圖1所示。

圖1 彈體模態(tài)分析有限元模型

表1 38CrMnSiA材料參數(shù)

在不加約束的情況下,對(duì)彈體進(jìn)行模態(tài)分析,得到前兩階軸向固有頻率f1=3 027 Hz,f2=5 901 Hz,振型如圖2所示。圖2(a)為彈體的第一階軸向振型,呈現(xiàn)明顯的軸向壓縮變形,彈頭及彈尾變形最為嚴(yán)重,是彈體侵徹過程中的主要受力方向,對(duì)測(cè)試信號(hào)做主要貢獻(xiàn);由圖2(b)第二階軸向振型可以看出,彈頭明顯變粗,彈長(zhǎng)變化很小,對(duì)測(cè)試信號(hào)影響不大,同樣,其他高階頻率成分對(duì)測(cè)試信號(hào)影響較小。

圖2 彈體軸向振型

表2為將彈體相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得到的軸向固有頻率與模態(tài)分析得到的軸向固有頻率對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)兩者前兩階的固有頻率差距均在10%以上。這是因?yàn)槭?1)在計(jì)算時(shí),將真實(shí)彈體簡(jiǎn)化為理想的一維圓桿,沒有考慮彈頭卵形部等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以本文后續(xù)研究采用模態(tài)分析得到的固有頻率。

表2 式(1)計(jì)算結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

2 不同侵徹工況下過載信號(hào)主頻特性分析

2.1 彈體正侵徹兩層靶板的動(dòng)力學(xué)仿真分析

在侵徹動(dòng)力學(xué)仿真中作如下假設(shè):① 彈體和靶板均為密實(shí)連續(xù)性介質(zhì);② 侵徹過程中不考慮溫度效應(yīng),不考慮空氣阻力。

彈體、引信材料均為38CrMnSiA,靶板為C40素混凝土,材料參數(shù)[14-16]如表3所示。彈體侵徹初速度V=800 m/s。2層靶板靶面尺寸均為2 000 mm×2 000 mm,2層靶板厚度分別為D1=180 mm,D2=180 mm,靶板間隔2 000 mm。采用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真,得到最終時(shí)刻靶板破壞圖如圖3所示。彈體穿透靶板留下花瓣形穿孔。

圖3 最終時(shí)刻靶板破壞圖

表3 C40混凝土材料參數(shù)

提取全彈、引信體過載信號(hào)如圖4所示。可以看到全彈過載信號(hào)能分辨出2個(gè)明顯的包絡(luò),分別為彈頭卵形部侵徹第1層、第2層靶板所引起的剛體過載。進(jìn)行層目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵就在于得到類似全彈剛體過載的曲線。對(duì)引信體過載信號(hào)進(jìn)行頻譜分析如圖5所示,發(fā)現(xiàn)過載信號(hào)主頻為2 845 Hz,與模態(tài)分析得到的固有頻率3 027 Hz接近。由于侵徹速度和阻力會(huì)降低彈體的固有頻率,因此過載信號(hào)主頻比彈體一階軸向固有頻率f1小。

圖4 全彈、引信體過載(V=800 m/s)

圖5 引信體過載信號(hào)頻譜圖(V=800 m/s)

而引信體的過載信號(hào)2層之間粘連明顯的原因是,彈體在靶間行進(jìn)過程中,侵徹第1層靶板的應(yīng)力波還沒有衰減完,就與侵徹第2層所產(chǎn)生的應(yīng)力波和剛體過載產(chǎn)生疊加,導(dǎo)致層間過載粘連。針對(duì)這種嚴(yán)重粘連的過載信號(hào)無法直接進(jìn)行層目標(biāo)識(shí)別。圖6為V=500 m/s時(shí)侵徹兩層靶板仿真得到的引信體過載。對(duì)比圖4與圖6,可發(fā)現(xiàn)隨著彈體侵徹初速度的提高,過載信號(hào)會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。

圖6 引信體過載(V=500 m/s)

2.2 不同侵徹工況下過載信號(hào)主頻特性分析

為研究過載信號(hào)主頻的特性,保持其他條件一致,進(jìn)行不同工況下的彈體正侵徹兩層靶板動(dòng)力學(xué)仿真,提取引信體過載信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析,得到不同侵徹初速度、不同靶板強(qiáng)度、不同靶板厚度下引信體過載主頻與固有頻率f1的對(duì)比情況如表4、表5、表6所示。

表4 不同侵徹初速度下引信體過載信號(hào)主頻與固有頻率f1對(duì)比

表5 不同靶板強(qiáng)度下引信體過載信號(hào)主頻與固有頻率f1對(duì)比

表6 不同靶板厚度下引信體過載信號(hào)主頻與固有頻率f1對(duì)比

通過以上算例可知,侵徹過載信號(hào)主頻有如下特性:該主頻對(duì)侵徹初速度、靶板強(qiáng)度、靶板厚度不敏感;該主頻與彈體軸向固有頻率f1差距在8%以內(nèi)。

3 彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標(biāo)識(shí)別方法研究

3.1 彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標(biāo)識(shí)別方法

基于過載信號(hào)主頻特性,本文提出的彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標(biāo)識(shí)別方法流程圖如圖7所示。基本參數(shù)說明:每層判層參數(shù)Qn取值范圍[45%,90%],上1層權(quán)重系數(shù)x取值范圍[0,1],每層靶厚Dn,第1層侵徹初速度V1,其余每層近似侵徹初速度Vn。L1為彈長(zhǎng)減去彈頭卵形部長(zhǎng)度。

圖7 多層侵徹引信層目標(biāo)識(shí)別方法流程圖

彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層識(shí)別方法主要分為2個(gè)步驟。

(1) 得到近似剛體過載。首先對(duì)彈體進(jìn)行模態(tài)分析得到一階軸向固有頻率,取低于彈體一階軸向固有頻率對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波(要考慮濾波器是否容易實(shí)現(xiàn)),把應(yīng)力波引起的過載信號(hào)剔除,得到的信號(hào)可認(rèn)為是近似剛體過載。

(2) 根據(jù)自適應(yīng)判層閾值、信號(hào)脈寬對(duì)近似剛體過載信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別當(dāng)前層數(shù)。每層識(shí)別方法如下。

① 識(shí)別第1層。第1層判層閾值為固定閾值C1,一般可設(shè)置為一個(gè)較低的值以保證可以對(duì)首層進(jìn)行識(shí)別。如果識(shí)別到脈寬大于(D1/V1),且峰值大于C1的脈沖信號(hào),記此脈沖信號(hào)為第1層近似剛體過載。并對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行積分,即可得到侵徹第1層靶板的近似降速,從而得到侵徹第2層靶板的近似初速度。記第1層近似剛體過載的峰值為a1。在近似剛體過載(彈頭卵形部侵徹靶板過程)后延時(shí)t1=L1/V2(彈體沿著靶板上的彈孔前進(jìn)過程),此時(shí)彈尾離開上1層靶板,再進(jìn)行層標(biāo)識(shí)。

② 識(shí)別第2層。第2層判層閾值為自適應(yīng)閾值C2,取第1層近似剛體過載峰值a1的Q2倍。繼續(xù)識(shí)別直到出現(xiàn)脈寬大于(D2/V2),且峰值大于C2的脈沖信號(hào),記此脈沖信號(hào)為第2層近似剛體過載。并對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行積分,即可得到侵徹第2層靶板的近似降速,從而得到侵徹第3層的近似初速度。記第2層近似剛體過載的峰值為a2。在近似剛體過載后延時(shí)t2=L1/V3,再進(jìn)行層標(biāo)識(shí)。

③ 識(shí)別第3層。第3層判層閾值C3,取前2層近似剛體過載峰值加權(quán)平均值的Q3倍,識(shí)別方法同第2層。后面每層以此類推,即可識(shí)別出當(dāng)前層數(shù)。

以侵徹5層混凝土靶板引信層目標(biāo)識(shí)別為例,判層閾值計(jì)算的部分偽代碼如下:

%%提取每層近似剛體過載峰值

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))

%%計(jì)算加權(quán)平均值

A2=a1

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

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

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

%%計(jì)算判層閾值

C1=4000

C2=Q2*A2

C3=Q3*A3

C4=Q4*A4

C5=Q5*A5

3.2 層目標(biāo)識(shí)別方法的可靠性及適用范圍

通過以下算例來驗(yàn)證本文提出方法的可靠性。

算例1:彈體材料、尺寸與1.2節(jié)一致,建立彈體斜侵徹5層靶板有限元模型,如圖8(a)所示,侵徹速度V=900 m/s,靶板強(qiáng)度C40,著角5°,靶厚分別為300 mm(第1層),180 mm(后4層)。如圖8(b)所示,由于是斜侵徹,彈體穿過五層靶板后發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。過載曲線如圖9所示,從第2層開始粘連嚴(yán)重。

圖8 算例1有限元模型

圖9 算例1引信體過載信號(hào)

采用本文層目標(biāo)識(shí)別方法進(jìn)行識(shí)別,已知彈體固有頻率f1=3 027 Hz,采用Butterworth低通濾波器[17],以2 000 Hz為通帶截止頻率,3 000 Hz為阻帶截止頻率對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波,濾波后的信號(hào)如圖10所示,可以發(fā)現(xiàn)層間粘連過載比濾波前有很大的改善,分層效果明顯,且濾波后的過載信號(hào)(近似剛體過載)與全彈剛體過載非常吻合。判層參數(shù)Q2取60%,其余層Qn均取75%,上1層權(quán)重系數(shù)x取0.8,第1層判層閾值取C1=4 000 g,其余層自適應(yīng)判層閾值如圖11所示,C2=8 677g,C3=8 357g,C4=7 937g,C5=7 421g,層目標(biāo)識(shí)別結(jié)果如圖12所示,可以準(zhǔn)確識(shí)別。

圖11 算例1判層閾值

圖12 算例1層目標(biāo)識(shí)別結(jié)果

算例2:彈長(zhǎng)1 960 mm,彈徑360 mm,彈體材料為38CrMnSiA,正侵徹10層靶板,速度V=900 m/s,靶板強(qiáng)度C40,靶厚分別為300 mm(第1層),180 mm(后9層)。仿真結(jié)束狀態(tài)如圖13所示,彈體發(fā)生了一定偏轉(zhuǎn),過載曲線如圖14所示。模態(tài)分析得到彈體的固有頻率為1 474 Hz。以1 000 Hz為通帶截止頻率,1 800 Hz為阻帶截止頻率進(jìn)行低通濾波,得到的信號(hào)如圖15所示。判層參數(shù)Q2取45%,其余層Qn均取75%,上1層權(quán)重系數(shù)x取0.8,第1層判層閾值取C1=2 000 g,其余層自適應(yīng)判層閾值如圖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,層目標(biāo)識(shí)別結(jié)果如圖17所示,可以準(zhǔn)確識(shí)別。

圖13 正侵徹10層靶板結(jié)束狀態(tài)

圖14 算例2引信體過載信號(hào)

圖15 算例2全彈剛體過載與濾波后的過載信號(hào)(近似剛體過載)

圖16 算例2判層閾值

圖17 算例2層目標(biāo)識(shí)別結(jié)果

為研究本文層目標(biāo)識(shí)別方法的適用范圍,用該方法對(duì)不同工況下仿真得到的過載信號(hào)進(jìn)行識(shí)別的結(jié)果如表7所示(更改3.2節(jié)算例1著角、侵徹初速度、靶板層數(shù))?？梢?此彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層識(shí)別方法適用范圍為:著角不大于10°、侵徹初速度400～900 m/s、靶板層數(shù)15層以下。

表7 不同工況下識(shí)別結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了彈體侵徹多層混凝土靶板的引信層目標(biāo)識(shí)別方法,仿真表明該方法可為提高引信計(jì)層精度提供技術(shù)支撐。

① 通過進(jìn)行不同工況的侵徹仿真,發(fā)現(xiàn)隨著彈體侵徹初速度提高,過載信號(hào)會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象;并得到過載信號(hào)主頻與彈體一階軸向固有頻率差距在8%以內(nèi)這一特性。

② 提出了彈體侵徹多層混凝土靶板的層目標(biāo)識(shí)別方法,首先根據(jù)彈體固有頻率對(duì)過載信號(hào)進(jìn)行低通濾波得到近似剛體過載,然后根據(jù)自適應(yīng)判層閾值、信號(hào)脈寬對(duì)近似剛體過載信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,識(shí)別出當(dāng)前層數(shù)。

③ 本文識(shí)別方法適用范圍:著角不大于10°、侵徹初速度400～900m/s、靶板層數(shù)15層以下。后續(xù)還需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。