硬目標侵徹引信隔離防護優化研究

曹　娟， 張　合， 王曉鋒

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京　210000)

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硬目標侵徹引信隔離防護優化研究

曹娟， 張合， 王曉鋒

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京210000)

侵徹彈可有效提高戰斗部對硬目標的毀傷效應，在現代戰爭中正發揮著越來越重要的作用。引信作為彈藥的大腦，對整個炸點系統進行控制，須有效地完成對硬目標的探測和識別，保證彈丸對硬目標的精確打擊，最大限度的發揮戰斗威力[1-3]。彈丸侵徹硬目標的過程相當于在彈頭施加了一個瞬時高幅沖擊力，產生彈塑性應力波沿彈體介質傳遞，導致彈中引信應力突變。過高的應力值會破壞引信的內部機構與電子元器件，嚴重影響引信的可靠性。利用彈塑性墊片進行沖擊隔離是引信主要防護措施之一[4-5]。

目前，國內外學者[6-8]已就侵徹過程中彈體受到的侵徹阻力及侵徹介質對彈體運動狀態的影響方面進行了深入研究，并在工程實踐中選用彈塑性墊片對引信體進行沖擊隔離防護[9-12]，但對侵徹過程中沖擊載荷與引信體相互作用機理尚不明確，彈塑性墊片的選取與設計也仍停留在工程經驗及軟件仿真分析的基礎上，缺乏系統深入的理論研究。本文基于應力波反射衰減(即機械濾波)理論，研究彈丸侵徹硬目標過程中沖擊載荷與引信介質間的耦合作用機理，分析引信應力突變最大值的相關因素，探討基于沖擊隔離技術的引信防護優化設計方法，提高引信的抗沖擊能力。

1不同介質界面應力波傳播原理

正入射的應力波從一種介質(介質1)傳播到另一種波阻抗不同的介質(介質2)時，在分界面引起擾動，分別向兩種介質中傳播反射波和透射波，關系可通過如下方程組確定[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1與介質2的波阻抗，兩者比值為n；F、T分別為反射系數與透射系數；σI為入射波應力值；σR、σT分別為反射波與透射波應力值。n<1時，壓縮波產生的反射波仍為壓縮波，拉伸波產生的反射波仍為拉伸波，在界面處反射加載，透射應力波幅值強于入射；n>1時，壓縮波產生的反射波為拉伸波，拉伸波產生的反射波為壓縮波，在界面處反射卸載，透射應力波幅值弱于入射。

2侵徹引信數學建模與理論分析

2.1數學建模

彈丸侵徹硬目標時著速一般為幾百米/秒，固體材料通常為彈塑性介質，要準確計算產生的彈塑性應力波的傳播過程是相當復雜的。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雜的內部機械結構，對引信這一具體機構進行應力波傳播過程的計算則更為困難；另一方面，為提高抗沖擊能力，引信會經過嚴格的灌封措施使其內部各電路模塊固化成整體。因此，本文將引信作為均勻介質整體考慮，假設墊片與引信變形均在彈性范圍之內，意在于對簡化后的模型進行理論分析與計算，反映出應力變化規律，得出定性結論，為侵徹引信隔離防護優化方案的產生提供理論基礎。

圖1　引信結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of fuze

引信安裝在彈尾軸心，前后均安裝隔離墊片，對侵徹過程中的沖擊載荷進行機械濾波，吸收部分高沖擊所產生的能量，削弱引信的應力突變。后蓋通過螺紋與彈體連接，對引信體進行軸向定位，并施加一定量的預緊力。引信在彈丸中的結構如圖1所示。彈丸侵徹過程中沖擊產生的壓縮應力擾動在彈體內從左向右傳播，入射引信體。由于引信的橫向尺寸遠小于應力波波長，故可忽略引信質點橫向運動的慣性作用，即忽略引信的橫向收縮或膨脹，只考慮縱向擾動。

設彈體與前墊界面(簡稱界面0)、前墊與引信界面(簡稱界面Ⅰ)、引信與后墊界面(簡稱界面Ⅱ)、后墊與后蓋界面(簡稱界面Ⅲ)處的波阻抗比值、反射系數和透射系數分別為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力值，其在界面0處產生的反射、透射分別為σ0R、σ0T。

設界面Ⅰ處的首次入射應力擾動為σA，則σA=σ0T。σA在界面Ⅰ處第i次反射、透射的應力值為σARi、σATi，可得：

σARi=σA(-F0)i-1F1i

σATi=σA(-F0)i-1F1i-1(1+F1)

(3)

設界面Ⅱ處的首次入射應力擾動為σB，則σB=σAT1。σB在界面Ⅱ處第j次反射、透射的應力值為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，其波阻抗值遠大于前墊的波阻抗，在界面0處透射的壓縮波σ0T從應力幅值上來說遠弱于入射擾動σ0；引信外殼通常為45鋼或超硬鋁等材料，其波阻抗值遠大于后墊，在界面Ⅱ處壓縮波σB產生反射拉伸波σBR1，反向卸載引信體中的應力擾動幅值。故而，前、后墊片可提高引信抗沖擊能力，對引信起到很好的隔離防護作用。

沖擊載荷與引信體介質間的耦合動力特性如圖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系：

dX=±Cdt

dσ=±ρCdv

(5)

式中：C為物質波速，不同的介質物質波速不同；ρ為密度，v為質點速度。由圖2(a)可看出，應力波在多層介質界面上要進行多次反射和透射，直到每層介質應力均勻為止，其周期與所在介質的波速與厚度相關。設前墊、引信、后墊的厚度分別為LA、LB、LC，物質波速分別為CA、CB、CC，則TA=LA/CA，TB=LB/CB，TC=LC/CC。由圖2(b)可知，沖擊載荷以機械波形式軸向傳遞，引信介質不斷受到經前墊濾波后透射的阻應力，速度逐步降低。圖2(c)為某時刻引信體中應力分布圖，可看出界面Ⅰ每隔2TA向引信透射一次壓縮應力擾動，設間隔長度為λ，則：

λ=2TA·CB

(6)

引信從右向左應力值呈現階梯遞增趨勢。通過圖2可以確定t≤TA+2TB時任一時刻引信體中應力(或質點速度)分布情況，或任一截面位置上應力(或質點速度)隨時間變化情況。

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

介質上每一點處應力的作用時間除與自身的力學性能、厚度及相鄰介質的波阻抗匹配特性相關外，還與入射波的波長有關。彈丸侵徹硬目標時產生的沖擊載荷波長遠遠大于引信整體總長度，故而可以近似認為引信受到了較寬的高幅矩形沖擊力，幅值為σ0。對于彈性波來說，入射波與反射波的總效果可按疊加原理來確定。從圖2可知，當t=TA+TB時，σB首次在界面Ⅱ處發生反射σBR1、透射σBT1，其中σBR1反向卸載σB；當t=TA+2TB時，卸載拉應力σBR1即將傳播至引信左端，此時引信左端出現沖擊應力擾動最大值σBMAX：

M=[TB/TA]

(7)

式中:σp為引信預緊力。

3侵徹引信隔離防護優化

3.1優化理論

基于以上對侵徹彈引信中沖擊載荷作用機理的分析，由式(7)可知，通過降低M或σATM可減小σBMAX，故而提出采用調整墊片厚度與結構化墊片相結合的防護優化設計方案。

首先，調整墊片厚度，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，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處反射卸載波的產生頻率，加快引信中沖擊載荷的卸載，縮短沖擊載荷對引信的作用時間。因而，前墊厚度應大于后墊。

圖3　結構化前墊Fig.3 Structuring gasket

其次，結構化墊片，即對前墊進行軸向開孔(錐形孔)處理，如圖3所示。該結構可從兩方面加強應力波的削弱效果。一，在界面0處，部分入射擾動σ0在自由表面(F=-1，T=0)發生完全反射卸載，透射為零，保護引信中心部位。故而，電路設計時可將加速度傳感器、數據存儲測試模塊等核心器件規劃于此處。二，應力波在同種介質中因變截面而發生反射、透射，將截面A在應力波陣面前方和后方的值分別記作A+和A-，根據連續條件和牛頓第三定律，界面兩側經反射與透射后的質點速度應相等，作用力應相等：

vI+vR=vT

A+(σI+σR)=A-σT

(8)

結合式(5)，進一步得出：

2A+σI=(A++A-)σT

(9)

界面0處透射的應力波在前墊內向界面Ⅰ擾動，即從小面積端向大面積端傳播，A+

在調整墊片厚度與結構化墊片時，均需合理化處理，以避免壓實、裂變等現象發生。

3.2仿真分析

采用LS-DYNA動力學仿真軟件，針對彈丸以300 m/s速度侵徹30 cm混凝土靶板建立不同的仿真模型，獲得侵徹彈內引信加速度突變波形如圖4所示。模型1無隔離墊片，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基礎上調整墊片厚度，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基礎上按圖3結構化前墊，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：無墊片時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大。過高的沖擊對引信內部電子元器件不利，易引起損壞，造成系統瞎火；另一方面，波形上下震蕩嚴重，對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)對比可知：墊片機械濾波后的引信加速度最大值為1.57×104g，較無墊片時所受沖擊大幅度下降56%，峰值脈寬約為無墊片時3倍，波形上下突變幅度明顯減小，能夠較好地保護引信，提高侵徹引信抗沖擊過載的工作可靠性；最大值與其相鄰峰值之間呈大幅度衰減趨勢，便于系統炸點精確控制。

對比圖4(c)、圖4(b)可知，調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，縮短了沖擊載荷對引信的作用時間；對比圖4(d)、圖4(b)可知，結構化墊片后引信加速度波形最大值由1.57×104g削弱至1.27×104g，且脈沖寬度得到進一步拓寬。調整墊片厚度，使得相同Δa所對應的Δt增大；結構化墊片，使得相同Δt所對應的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載峰值，實現了引信防護功能的進一步優化。仿真結果表明：調整墊片厚度、結構化墊片兩種方法均可進一步增強墊片的機械濾波效果，有效提高引信抗高過載能力。

4靶場試驗

圖5　試驗用彈、迫炮與目標靶Fig.5 Experiment projectile、mortar and target

基于以上引信防護優化方案的理論分析與仿真驗證，設計了迫炮侵徹回收試驗，試驗裝置如圖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，并將前墊結構化處理。墊片的選擇需綜合考慮彈速、硬目標厚度與層數等因素，對于更高彈速、更高過載，4 mm左右的聚四氟乙烯墊片將不再能滿足防護要求，可選擇組合墊片(不同材料墊片疊加)的方式。彈體侵徹目標靶后對引信進行回收，引信體內存儲測試系統所記錄的傳感器加速度信號如圖6所示。結合圖4可以看出，試驗曲線與仿真曲線的變化趨勢基本一致，由于后蓋對引信施加了一定量的預緊力，減弱了引信侵徹過程中“抖動”，故而試驗所得加速度波形較為平滑；采用優化防護方案后，墊片機械濾波效果增強，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的加速度范圍之內。試驗結果表明：采用調整墊片厚度與結構化墊片相結合的優化設計方案可行，可大幅衰減引信沖擊載荷，有效保護引信內部機構與電子元器件，提高引信零部件在侵徹沖擊過載下的可靠性，優化引信加速度過載信號，實現引信對炸點系統的精確控制。

圖6　引信實測加速度波形Fig.6 Acceleration curves by experiment measuring

5結論

本文基于應力波衰減理論對彈丸侵徹硬目標時引信中沖擊載荷的作用過程開展了研究，通過建模與理論分析得出結論：

(1) 用于引信隔離防護的前墊厚度應大于后墊；

(2) 對前墊進行結構處理(軸向開錐形孔)可增強墊片的機械濾波效果。

基于理論分析結論，得出優化方案，結合實際工程應用選擇了較具可行性的優化參數(前墊4 mm，后墊2 mm，并對前墊結構化處理)，并采用LS-DYNA軟件仿真驗證了優化方案的有效性與可行性，分析指出：單獨調整墊片厚度或結構化墊片可增強墊片機械濾波效果，進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，基于文中優化方案，設計了迫炮侵徹靶板回收試驗，進一步在實際工程應用中驗證了方案的可行性。本文所得結論可為硬目標侵徹引信抗過載防護的理論研究和工程實踐應用提供理論參考。

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第一作者 曹娟 女，博士生，1987年7月生

摘要：針對彈丸侵徹硬目標過程中應力突變導致引信可靠性降低的問題，基于應力波傳播理論，建立引信受力模型，研究沖擊載荷與引信介質間的耦合動力特性，揭示引信受沖擊載荷變化規律，推導出應力突變最大值關系式。在此基礎上，采用理論分析結合軟件仿真的方法，研究墊片厚度與墊片結構對引信抗沖擊防護性能的影響，提出采用調整墊片厚度與結構化墊片相結合的引信防護優化設計方案，并基于迫炮試驗平臺進行回收試驗驗證。結果表明，該優化方案合理可行，能有效衰減沖擊載荷，提高侵徹引信的工作可靠性。

關鍵詞：侵徹；沖擊；引信防護；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:TJ430.3

文獻標志碼：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

基金項目：國家自然科學基金(61403201)