硬目標(biāo)侵徹引信隔離防護(hù)優(yōu)化研究

曹　娟， 張　合， 王曉鋒

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京　210000)

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硬目標(biāo)侵徹引信隔離防護(hù)優(yōu)化研究

曹娟， 張合， 王曉鋒

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京210000)

侵徹彈可有效提高戰(zhàn)斗部對(duì)硬目標(biāo)的毀傷效應(yīng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。引信作為彈藥的大腦，對(duì)整個(gè)炸點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，須有效地完成對(duì)硬目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，保證彈丸對(duì)硬目標(biāo)的精確打擊，最大限度的發(fā)揮戰(zhàn)斗威力[1-3]。彈丸侵徹硬目標(biāo)的過(guò)程相當(dāng)于在彈頭施加了一個(gè)瞬時(shí)高幅沖擊力，產(chǎn)生彈塑性應(yīng)力波沿彈體介質(zhì)傳遞，導(dǎo)致彈中引信應(yīng)力突變。過(guò)高的應(yīng)力值會(huì)破壞引信的內(nèi)部機(jī)構(gòu)與電子元器件，嚴(yán)重影響引信的可靠性。利用彈塑性墊片進(jìn)行沖擊隔離是引信主要防護(hù)措施之一[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-8]已就侵徹過(guò)程中彈體受到的侵徹阻力及侵徹介質(zhì)對(duì)彈體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響方面進(jìn)行了深入研究，并在工程實(shí)踐中選用彈塑性墊片對(duì)引信體進(jìn)行沖擊隔離防護(hù)[9-12]，但對(duì)侵徹過(guò)程中沖擊載荷與引信體相互作用機(jī)理尚不明確，彈塑性墊片的選取與設(shè)計(jì)也仍停留在工程經(jīng)驗(yàn)及軟件仿真分析的基礎(chǔ)上，缺乏系統(tǒng)深入的理論研究。本文基于應(yīng)力波反射衰減(即機(jī)械濾波)理論，研究彈丸侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中沖擊載荷與引信介質(zhì)間的耦合作用機(jī)理，分析引信應(yīng)力突變最大值的相關(guān)因素，探討基于沖擊隔離技術(shù)的引信防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高引信的抗沖擊能力。

1不同介質(zhì)界面應(yīng)力波傳播原理

正入射的應(yīng)力波從一種介質(zhì)(介質(zhì)1)傳播到另一種波阻抗不同的介質(zhì)(介質(zhì)2)時(shí)，在分界面引起擾動(dòng)，分別向兩種介質(zhì)中傳播反射波和透射波，關(guān)系可通過(guò)如下方程組確定[13]：

σR=FσI

σT=TσI

n=(ρ1C1)/(ρ2C2)

F=(1-n)/(1+n)

T=2/(1+n)

(1)

式中：ρ1C1、ρ2C2分別是介質(zhì)1與介質(zhì)2的波阻抗，兩者比值為n；F、T分別為反射系數(shù)與透射系數(shù)；σI為入射波應(yīng)力值；σR、σT分別為反射波與透射波應(yīng)力值。n<1時(shí)，壓縮波產(chǎn)生的反射波仍為壓縮波，拉伸波產(chǎn)生的反射波仍為拉伸波，在界面處反射加載，透射應(yīng)力波幅值強(qiáng)于入射；n>1時(shí)，壓縮波產(chǎn)生的反射波為拉伸波，拉伸波產(chǎn)生的反射波為壓縮波，在界面處反射卸載，透射應(yīng)力波幅值弱于入射。

2侵徹引信數(shù)學(xué)建模與理論分析

2.1數(shù)學(xué)建模

彈丸侵徹硬目標(biāo)時(shí)著速一般為幾百米/秒，固體材料通常為彈塑性介質(zhì)，要準(zhǔn)確計(jì)算產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力波的傳播過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。一方面，引信體中包含了各種材料、各種尺寸形狀、各種電子元器件和復(fù)雜的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)引信這一具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力波傳播過(guò)程的計(jì)算則更為困難；另一方面，為提高抗沖擊能力，引信會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的灌封措施使其內(nèi)部各電路模塊固化成整體。因此，本文將引信作為均勻介質(zhì)整體考慮，假設(shè)墊片與引信變形均在彈性范圍之內(nèi)，意在于對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行理論分析與計(jì)算，反映出應(yīng)力變化規(guī)律，得出定性結(jié)論，為侵徹引信隔離防護(hù)優(yōu)化方案的產(chǎn)生提供理論基礎(chǔ)。

圖1　引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fuze

引信安裝在彈尾軸心，前后均安裝隔離墊片，對(duì)侵徹過(guò)程中的沖擊載荷進(jìn)行機(jī)械濾波，吸收部分高沖擊所產(chǎn)生的能量，削弱引信的應(yīng)力突變。后蓋通過(guò)螺紋與彈體連接，對(duì)引信體進(jìn)行軸向定位，并施加一定量的預(yù)緊力。引信在彈丸中的結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈丸侵徹過(guò)程中沖擊產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力擾動(dòng)在彈體內(nèi)從左向右傳播，入射引信體。由于引信的橫向尺寸遠(yuǎn)小于應(yīng)力波波長(zhǎng)，故可忽略引信質(zhì)點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)的慣性作用，即忽略引信的橫向收縮或膨脹，只考慮縱向擾動(dòng)。

設(shè)彈體與前墊界面(簡(jiǎn)稱界面0)、前墊與引信界面(簡(jiǎn)稱界面Ⅰ)、引信與后墊界面(簡(jiǎn)稱界面Ⅱ)、后墊與后蓋界面(簡(jiǎn)稱界面Ⅲ)處的波阻抗比值、反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為n0、F0、T0，n1、F1、T1，n2、F2、T2，n3、F3、T3。在界面0處：

σ0R=F0σ0

σ0T=T0σ0

(2)

式中：σ0為侵徹彈中沖擊載荷縱向傳播至前墊處的入射應(yīng)力值，其在界面0處產(chǎn)生的反射、透射分別為σ0R、σ0T。

設(shè)界面Ⅰ處的首次入射應(yīng)力擾動(dòng)為σA，則σA=σ0T。σA在界面Ⅰ處第i次反射、透射的應(yīng)力值為σARi、σATi，可得：

σARi=σA(-F0)i-1F1i

σATi=σA(-F0)i-1F1i-1(1+F1)

(3)

設(shè)界面Ⅱ處的首次入射應(yīng)力擾動(dòng)為σB，則σB=σAT1。σB在界面Ⅱ處第j次反射、透射的應(yīng)力值為σBRj、σBTj，同理可得：

σBRj=σB(-F1)j-1F2j

σBTj=σB(-F1)j-1F2j-1(1+F2)

(4)

2.2理論分析

常用的引信緩沖墊片材料有聚四氟乙烯、橡膠、工業(yè)毛氈、軟鋁等，其波阻抗值較小。彈丸通常選用高硬度材料，其波阻抗值遠(yuǎn)大于前墊的波阻抗，在界面0處透射的壓縮波σ0T從應(yīng)力幅值上來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)弱于入射擾動(dòng)σ0；引信外殼通常為45鋼或超硬鋁等材料，其波阻抗值遠(yuǎn)大于后墊，在界面Ⅱ處壓縮波σB產(chǎn)生反射拉伸波σBR1，反向卸載引信體中的應(yīng)力擾動(dòng)幅值。故而，前、后墊片可提高引信抗沖擊能力，對(duì)引信起到很好的隔離防護(hù)作用。

沖擊載荷與引信體介質(zhì)間的耦合動(dòng)力特性如圖2所示。(X,t)平面、(v,σ)平面分別又稱物理平面、速度平面，特征線上滿足相容關(guān)系：

dX=±Cdt

dσ=±ρCdv

(5)

式中：C為物質(zhì)波速，不同的介質(zhì)物質(zhì)波速不同；ρ為密度，v為質(zhì)點(diǎn)速度。由圖2(a)可看出，應(yīng)力波在多層介質(zhì)界面上要進(jìn)行多次反射和透射，直到每層介質(zhì)應(yīng)力均勻?yàn)橹?，其周期與所在介質(zhì)的波速與厚度相關(guān)。設(shè)前墊、引信、后墊的厚度分別為L(zhǎng)A、LB、LC，物質(zhì)波速分別為CA、CB、CC，則TA=LA/CA，TB=LB/CB，TC=LC/CC。由圖2(b)可知，沖擊載荷以機(jī)械波形式軸向傳遞，引信介質(zhì)不斷受到經(jīng)前墊濾波后透射的阻應(yīng)力，速度逐步降低。圖2(c)為某時(shí)刻引信體中應(yīng)力分布圖，可看出界面Ⅰ每隔2TA向引信透射一次壓縮應(yīng)力擾動(dòng)，設(shè)間隔長(zhǎng)度為λ，則：

λ=2TA·CB

(6)

引信從右向左應(yīng)力值呈現(xiàn)階梯遞增趨勢(shì)。通過(guò)圖2可以確定t≤TA+2TB時(shí)任一時(shí)刻引信體中應(yīng)力(或質(zhì)點(diǎn)速度)分布情況，或任一截面位置上應(yīng)力(或質(zhì)點(diǎn)速度)隨時(shí)間變化情況。

圖2　沖擊載荷與引信介質(zhì)的耦合作用Fig.2 Coupling actions between impact load and fuze media

介質(zhì)上每一點(diǎn)處應(yīng)力的作用時(shí)間除與自身的力學(xué)性能、厚度及相鄰介質(zhì)的波阻抗匹配特性相關(guān)外，還與入射波的波長(zhǎng)有關(guān)。彈丸侵徹硬目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于引信整體總長(zhǎng)度，故而可以近似認(rèn)為引信受到了較寬的高幅矩形沖擊力，幅值為σ0。對(duì)于彈性波來(lái)說(shuō)，入射波與反射波的總效果可按疊加原理來(lái)確定。從圖2可知，當(dāng)t=TA+TB時(shí)，σB首次在界面Ⅱ處發(fā)生反射σBR1、透射σBT1，其中σBR1反向卸載σB；當(dāng)t=TA+2TB時(shí)，卸載拉應(yīng)力σBR1即將傳播至引信左端，此時(shí)引信左端出現(xiàn)沖擊應(yīng)力擾動(dòng)最大值σBMAX：

M=[TB/TA]

(7)

式中:σp為引信預(yù)緊力。

3侵徹引信隔離防護(hù)優(yōu)化

3.1優(yōu)化理論

基于以上對(duì)侵徹彈引信中沖擊載荷作用機(jī)理的分析，由式(7)可知，通過(guò)降低M或σATM可減小σBMAX，故而提出采用調(diào)整墊片厚度與結(jié)構(gòu)化墊片相結(jié)合的防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

首先，調(diào)整墊片厚度，即增大前墊厚度LA，減小后墊厚度LC。增大前墊厚度LA，即增大TA，從而降低M，減少界面Ⅰ透射疊加層數(shù)，削弱引信沖擊力最大值σBMAX；減小后墊厚度LC，即減小TC，加大界面Ⅱ處反射卸載波的產(chǎn)生頻率，加快引信中沖擊載荷的卸載，縮短沖擊載荷對(duì)引信的作用時(shí)間。因而，前墊厚度應(yīng)大于后墊。

圖3　結(jié)構(gòu)化前墊Fig.3 Structuring gasket

其次，結(jié)構(gòu)化墊片，即對(duì)前墊進(jìn)行軸向開(kāi)孔(錐形孔)處理，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)可從兩方面加強(qiáng)應(yīng)力波的削弱效果。一，在界面0處，部分入射擾動(dòng)σ0在自由表面(F=-1，T=0)發(fā)生完全反射卸載，透射為零，保護(hù)引信中心部位。故而，電路設(shè)計(jì)時(shí)可將加速度傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試模塊等核心器件規(guī)劃于此處。二，應(yīng)力波在同種介質(zhì)中因變截面而發(fā)生反射、透射，將截面A在應(yīng)力波陣面前方和后方的值分別記作A+和A-，根據(jù)連續(xù)條件和牛頓第三定律，界面兩側(cè)經(jīng)反射與透射后的質(zhì)點(diǎn)速度應(yīng)相等，作用力應(yīng)相等：

vI+vR=vT

A+(σI+σR)=A-σT

(8)

結(jié)合式(5)，進(jìn)一步得出：

2A+σI=(A++A-)σT

(9)

界面0處透射的應(yīng)力波在前墊內(nèi)向界面Ⅰ擾動(dòng)，即從小面積端向大面積端傳播，A+

在調(diào)整墊片厚度與結(jié)構(gòu)化墊片時(shí)，均需合理化處理，以避免壓實(shí)、裂變等現(xiàn)象發(fā)生。

3.2仿真分析

采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)仿真軟件，針對(duì)彈丸以300 m/s速度侵徹30 cm混凝土靶板建立不同的仿真模型，獲得侵徹彈內(nèi)引信加速度突變波形如圖4所示。模型1無(wú)隔離墊片，引信的加速度波形如圖4(a)所示；模型2在引信兩端均添加3 mm聚四氟乙烯墊片，其加速度波形如圖4(b)所示；模型3在模型2基礎(chǔ)上調(diào)整墊片厚度，前墊為4 mm，后墊為2 mm，引信加速度波形如圖4(c)所示；模型4在模型2基礎(chǔ)上按圖3結(jié)構(gòu)化前墊，所得加速度波形如圖4(d)所示。

圖4　引信加速度波形Fig.4 Acceleration curves of fuze

由圖4(a)可知：無(wú)墊片時(shí)引信與彈體剛性接觸，引信加速度波形最大值為3.53×104g，脈寬很窄，波形上下突變幅度過(guò)大。過(guò)高的沖擊對(duì)引信內(nèi)部電子元器件不利，易引起損壞，造成系統(tǒng)瞎火；另一方面，波形上下震蕩嚴(yán)重，對(duì)于引信軟件控制策略判斷彈丸出靶、入靶等信息不利。圖4(b)、圖4(a)對(duì)比可知：墊片機(jī)械濾波后的引信加速度最大值為1.57×104g，較無(wú)墊片時(shí)所受沖擊大幅度下降56%，峰值脈寬約為無(wú)墊片時(shí)3倍，波形上下突變幅度明顯減小，能夠較好地保護(hù)引信，提高侵徹引信抗沖擊過(guò)載的工作可靠性；最大值與其相鄰峰值之間呈大幅度衰減趨勢(shì)，便于系統(tǒng)炸點(diǎn)精確控制。

對(duì)比圖4(c)、圖4(b)可知，調(diào)整墊片厚度后引信加速度波形最大值由1.57×104g削弱至1.15×104g，脈沖卸載時(shí)間尺度由1.5 ms左右縮短至1.0 ms左右，提高了沖擊載荷的卸載速度，縮短了沖擊載荷對(duì)引信的作用時(shí)間；對(duì)比圖4(d)、圖4(b)可知，結(jié)構(gòu)化墊片后引信加速度波形最大值由1.57×104g削弱至1.27×104g，且脈沖寬度得到進(jìn)一步拓寬。調(diào)整墊片厚度，使得相同Δa所對(duì)應(yīng)的Δt增大；結(jié)構(gòu)化墊片，使得相同Δt所對(duì)應(yīng)的Δa減小。兩者均可有效地減緩引信所受沖擊力上升速度，一定程度上降低了引信的過(guò)載峰值，實(shí)現(xiàn)了引信防護(hù)功能的進(jìn)一步優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：調(diào)整墊片厚度、結(jié)構(gòu)化墊片兩種方法均可進(jìn)一步增強(qiáng)墊片的機(jī)械濾波效果，有效提高引信抗高過(guò)載能力。

4靶場(chǎng)試驗(yàn)

圖5　試驗(yàn)用彈、迫炮與目標(biāo)靶Fig.5 Experiment projectile、mortar and target

基于以上引信防護(hù)優(yōu)化方案的理論分析與仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了迫炮侵徹回收試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖5所示。彈體炮口初速為300 m/s，靶厚為30 cm；引信防護(hù)隔離墊片采用聚四氟乙烯，前墊厚度為4 mm，后墊厚度為2 mm，并將前墊結(jié)構(gòu)化處理。墊片的選擇需綜合考慮彈速、硬目標(biāo)厚度與層數(shù)等因素，對(duì)于更高彈速、更高過(guò)載，4 mm左右的聚四氟乙烯墊片將不再能滿足防護(hù)要求，可選擇組合墊片(不同材料墊片疊加)的方式。彈體侵徹目標(biāo)靶后對(duì)引信進(jìn)行回收，引信體內(nèi)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)所記錄的傳感器加速度信號(hào)如圖6所示。結(jié)合圖4可以看出，試驗(yàn)曲線與仿真曲線的變化趨勢(shì)基本一致，由于后蓋對(duì)引信施加了一定量的預(yù)緊力，減弱了引信侵徹過(guò)程中“抖動(dòng)”，故而試驗(yàn)所得加速度波形較為平滑；采用優(yōu)化防護(hù)方案后，墊片機(jī)械濾波效果增強(qiáng)，引信的最大加速度峰值被大幅衰減至1.01×104g，在侵徹引信所能承擔(dān)的加速度范圍之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用調(diào)整墊片厚度與結(jié)構(gòu)化墊片相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行，可大幅衰減引信沖擊載荷，有效保護(hù)引信內(nèi)部機(jī)構(gòu)與電子元器件，提高引信零部件在侵徹沖擊過(guò)載下的可靠性，優(yōu)化引信加速度過(guò)載信號(hào)，實(shí)現(xiàn)引信對(duì)炸點(diǎn)系統(tǒng)的精確控制。

圖6　引信實(shí)測(cè)加速度波形Fig.6 Acceleration curves by experiment measuring

5結(jié)論

本文基于應(yīng)力波衰減理論對(duì)彈丸侵徹硬目標(biāo)時(shí)引信中沖擊載荷的作用過(guò)程開(kāi)展了研究，通過(guò)建模與理論分析得出結(jié)論：

(1) 用于引信隔離防護(hù)的前墊厚度應(yīng)大于后墊；

(2) 對(duì)前墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理(軸向開(kāi)錐形孔)可增強(qiáng)墊片的機(jī)械濾波效果。

基于理論分析結(jié)論，得出優(yōu)化方案，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用選擇了較具可行性的優(yōu)化參數(shù)(前墊4 mm，后墊2 mm，并對(duì)前墊結(jié)構(gòu)化處理)，并采用LS-DYNA軟件仿真驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性與可行性，分析指出：?jiǎn)为?dú)調(diào)整墊片厚度或結(jié)構(gòu)化墊片可增強(qiáng)墊片機(jī)械濾波效果，進(jìn)一步將引信加速度最大值分別削弱27%、19%，提高引信抗沖擊能力。最后，基于文中優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了迫炮侵徹靶板回收試驗(yàn)，進(jìn)一步在實(shí)際工程應(yīng)用中驗(yàn)證了方案的可行性。本文所得結(jié)論可為硬目標(biāo)侵徹引信抗過(guò)載防護(hù)的理論研究和工程實(shí)踐應(yīng)用提供理論參考。

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[13] 王禮立. 應(yīng)力波基礎(chǔ)(第二版)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

第一作者 曹娟 女，博士生，1987年7月生

摘要：針對(duì)彈丸侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中應(yīng)力突變導(dǎo)致引信可靠性降低的問(wèn)題，基于應(yīng)力波傳播理論，建立引信受力模型，研究沖擊載荷與引信介質(zhì)間的耦合動(dòng)力特性，揭示引信受沖擊載荷變化規(guī)律，推導(dǎo)出應(yīng)力突變最大值關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上，采用理論分析結(jié)合軟件仿真的方法，研究墊片厚度與墊片結(jié)構(gòu)對(duì)引信抗沖擊防護(hù)性能的影響，提出采用調(diào)整墊片厚度與結(jié)構(gòu)化墊片相結(jié)合的引信防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并基于迫炮試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行回收試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該優(yōu)化方案合理可行，能有效衰減沖擊載荷，提高侵徹引信的工作可靠性。

關(guān)鍵詞：侵徹；沖擊；引信防護(hù)；隔離墊片

Optimization of isolated protection for the hard-target penetration fuze

CAOJuan,ZHANGHe,WANGXiao-feng(ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210000, China)

Abstract:In the process of projectile penetrating hard targets, the fuze reliability may be reduced due to the stress abrupt change. Based on the stress wave propagation theory, a fuze force model was established, and the coupling action between impact load and fuze media was investigated. Moreover, the variation of impact load acting on the fuze was explored and a mathematical expression for the maximum value of stress abrupt change was deduced. On this basis, the influences of gasket thickness and gasket structure on the shock resistance performance of fuze was analysed by the method of theoretical analysis combined with software simulation. An optimum design scheme for fuze protection was proposed, which was achieved by adjusting the gasket thickness and modifying the structured gasket. Whereafter, the optimization scheme was verified by the recovery experiment on a mortar platform. The simulation and experiment results show that the optimization scheme is reasonable and feasible, which can effectively attenuate impact load and improve the fuze reliability.

Key words:penetration; impact; fuze protection; isolation gasket

中圖分類號(hào):TJ430.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.032

通信作者張合 男，博士,教授，1957年8月生

收稿日期：2014-09-18修改稿收到日期：2014-12-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61403201)