彈體侵徹夯土靶加速度測試記錄儀的研究?

孫 韜,馬喜宏,李長龍,劉 俊

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

為了打擊深埋在地下或隱藏在堅(jiān)固建筑物中的重要目標(biāo),一些“智能型”鉆地彈相繼出現(xiàn).在對這些鉆地彈進(jìn)行研究時,侵徹過程的加速度-時間曲線是一個重要的被測參數(shù),這一參數(shù)的測定需要依靠彈載測試記錄儀.加拿大 Controlex公司研制的彈載記錄儀,能夠承受 100000 g的侵徹過載[1];美國 IES公司研制了多種型號的高沖擊存儲記錄儀[2-3],量程為 90000 g,8～ 12位精度,有多種結(jié)構(gòu)形式,以適應(yīng)不同彈體內(nèi)的空間大小.國內(nèi)彈載測試記錄儀的設(shè)計(jì)也取得了一些成果,如中北大學(xué)在國內(nèi)較早全面地研究了彈載存儲測試技術(shù),北京理工大學(xué)也曾利用彈載存儲測試技術(shù)測量引信小構(gòu)件的沖擊應(yīng)力.本文以彈體侵徹夯土靶為例,從內(nèi)部電路和外部防護(hù)緩沖兩個方面系統(tǒng)地研究了彈載測試記錄儀,分析了記錄儀存儲電路的模塊化設(shè)計(jì)方法,提出了一種針對夯土靶侵徹環(huán)境的中薄壁厚型防護(hù)外殼體結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了精確確定緩沖材料厚度的實(shí)驗(yàn)方法,并從理論與實(shí)彈測試兩個方面驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)對內(nèi)部測試存儲電路具有可靠的防護(hù)性能.

1 記錄儀測試存儲電路的設(shè)計(jì)

測試存儲電路采用模塊化設(shè)計(jì),所謂模塊化是指整個系統(tǒng)盡可能由多個不同功能、相對獨(dú)立的模塊,按照總線方式連接而成的,并可以根據(jù)不同模塊組合成相應(yīng)的電子記錄系統(tǒng).加速度測試記錄儀的模塊化設(shè)計(jì)主要是由傳感器、觸發(fā)開關(guān)和記錄器組成,其中記錄器模塊是存儲測試裝置的核心(在圖 1中用虛線表示).

內(nèi)部存儲電路使用聚氨酯與內(nèi)防護(hù)殼體進(jìn)行一體化灌封,可以有效地提高測試存儲電路的抗沖擊性能.通過馬歇特錘測得一體化內(nèi)部存儲電路所能承受的極限加速度幅值 a0=1.64×104g,此參數(shù)為后續(xù)的泡沫鋁厚度設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

2 記錄儀抗過載系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

針對彈體侵徹夯土靶過程中產(chǎn)生的高沖擊,記錄儀必須對其內(nèi)部電路進(jìn)行有效防護(hù).記錄儀的防護(hù)結(jié)構(gòu)采取外層空心圓柱殼嵌套內(nèi)層空心圓柱殼,內(nèi)外殼體間加入泡沫鋁緩沖,電路板與內(nèi)層空心防護(hù)殼一體化灌封的結(jié)構(gòu)模式.外殼體起結(jié)構(gòu)支撐作用,泡沫鋁材料主要對應(yīng)力波進(jìn)行衰減.

2.1 抗沖擊外防護(hù)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

記錄儀的質(zhì)量主要集中在外殼體,減輕殼體質(zhì)量從而減少記錄儀的沖擊動量,可提高記錄儀的抗沖擊性能.因夯土靶本身材質(zhì)疏松,過載沖擊遠(yuǎn)小于侵徹混凝土靶和鋼靶,故在設(shè)計(jì)的過程中可通過減小防護(hù)殼體的厚徑比,采用中薄型壁厚殼體來減輕重量,但防護(hù)殼在沖擊過程中易發(fā)生屈曲,失去結(jié)構(gòu)支撐能力.所以,判斷外防護(hù)殼體的臨界動力屈曲載荷,準(zhǔn)確掌握殼體的抗沖擊性能,成為設(shè)計(jì)記錄儀抗沖擊防護(hù)外殼的難點(diǎn).

根據(jù)彈體環(huán)境和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)外圓柱防護(hù)殼體半徑為 29 mm,壁厚為 3 mm,壁厚與外徑的比值為 0.1206的中薄型殼體,殼體材料為35CrMnSiA鋼.對于中薄壁厚的外防護(hù)抗沖擊性能研究[4-6],其本質(zhì)在于找出其臨界動力屈曲載荷pdcr.根據(jù) Donnell導(dǎo)出的圓柱殼軸壓作用下靜力屈曲方程[7-8](考慮軸對稱情況),可以得到靜態(tài)臨界屈曲載荷

式中：R,h,E分別為殼體的半徑、壁厚、彈性模量.求得殼體靜態(tài)臨界載荷為 pcr=6.26×107Pa,以pcr為基準(zhǔn),根據(jù) B-R準(zhǔn)則[9-11],使用 ANSYS/LSDYNA,對結(jié)構(gòu)在不同載荷水平 npcr(n為載荷加載系數(shù))作用下靠近沖擊端單元的軸向最大位移響應(yīng)(kmax)進(jìn)行分析,可以繪制侵徹夯土靶防護(hù)外殼的 n-kmax曲線,如圖 2所示.

如圖 2所示,在 n=2.6處存在一個極大值,它的微小變化引起了kmax的劇烈跳躍(有限),此點(diǎn)為載荷 p=pdcr,為外防護(hù)殼體的臨界動力屈曲載荷,其大小為 pdcr=2.6pcr=1.63×108Pa.在實(shí)際沖擊過程中,只要防護(hù)外殼軸向所受到的沖擊應(yīng)力小于,殼體將處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 防護(hù)外殼 n-kmax曲線Fig.2 n-kmaxof outer protective shell

2.2 泡沫鋁厚度設(shè)計(jì)

內(nèi)外殼體頂端間隔處填充泡沫鋁[12],可以在侵徹夯土靶的過程中對應(yīng)力波進(jìn)行衰減.設(shè)計(jì)過程中要精確考慮泡沫鋁的厚度,厚度太薄,應(yīng)力波得不到有效衰減;厚度太厚,會增加記錄儀質(zhì)量,降低記錄儀的抗沖擊性能.所以,泡沫鋁厚度的精確確定是記錄儀抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個難點(diǎn).

圖3 空氣炮試驗(yàn)裝置Fig.3 Air g un test equipment

圖4 緩沖前后加速度波形曲線對比Fig.4 Acceleration waveforms before and after using the buffer

對緩沖材料厚度 L的確定,主要依據(jù)空氣炮試驗(yàn),具體方法如圖 3所示.在被撞體和存儲測試電路模塊的側(cè)面貼有光柵,兩者之間放置初始進(jìn)行緩沖性能試驗(yàn)的泡沫鋁,厚度 L1.模擬彈體出膛速度對二者進(jìn)行速度加載,同時借助兩套多普勒激光干涉儀同時記錄被撞體和其內(nèi)部受緩沖保護(hù)的存儲測試電路模塊的速度信號,得到其加速度-時間曲線.已知電路模塊所能承受的極限加速度值為 a0,通過逐漸加寬緩沖材料的厚度,最終確定泡沫鋁厚度在 23 mm時,加速度值從不加防護(hù)前的 aa=4.3×104g衰減到 ab=1.34×104g,ab小于并接近 a0,這就使得泡沫鋁厚度在保證緩沖效果的同時做到了最薄.緩沖前后的加速度曲線對比如圖 4所示.

3 試驗(yàn)與分析

利用 ANSYS/LS-DYNA建立了炮擊結(jié)構(gòu)和侵徹靶體的有限元模型,模擬彈體與彈載測試設(shè)備以 580 m/s(實(shí)際炮擊彈體出膛速度)沖擊夯土靶,如圖 5所示.對上述抗沖擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了抗沖擊系統(tǒng)的可靠性.

圖5 彈體侵徹夯土靶模擬圖Fig.5 Simulation diagram of missile penetrating earth target

圖6 彈體結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.6 Finite element model of missile structure

圖6中,取外防護(hù)殼沖擊端殼體頂層 H1448,H1401,H1396,H1418,H1458這 5個單元,同時取整個外防護(hù)殼體,對二者進(jìn)行應(yīng)力與加速度的分析,可得圖 7各單元侵徹夯土靶過程中的應(yīng)力曲線圖和圖 8整體外防護(hù)殼的加速度曲線圖.

模型采用的是 g-mm-μ s尺寸.由圖 7可以得出,模擬彈體侵徹夯土靶時,外防護(hù)殼體沖擊端 5個分布點(diǎn)中最大應(yīng)力分布為 pc=1.33×107Pa,小于殼體的動態(tài)臨界屈曲值說明防護(hù)殼體在侵徹過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.由圖 8可知,進(jìn)行殼體的加速度值為 3.10×104g,小于空氣炮試驗(yàn)中 ab的加速度,根據(jù)泡沫鋁緩沖原理,經(jīng)過23 mm泡沫鋁緩沖,加速值將衰減到 aa以下,小于由試驗(yàn)測定的電路板所能承受的極限加速度幅值 a0.通過 LS-DYNA模擬驗(yàn)證了侵徹夯土靶的抗過載設(shè)計(jì)有效.

圖7 頂端單元應(yīng)力曲線圖Fig.7 Stress curv e of end units under the impact

圖8 外防護(hù)殼加速度曲線圖Fig.8 Acceleration curv e of outer protectiv e shell

記錄儀整體重量為 0.53 kg,在 23 mm泡沫鋁的緩沖作用下內(nèi)部電路可以承受 aa=4.3×104g的沖擊,此時記錄儀外殼所承受的應(yīng)力為 pa=2.3×107Pa,小于殼體的動態(tài)臨界屈曲值殼體將保持穩(wěn)定,由此可知記錄儀能承受的最大理論加速度為 4.3×104g.

圖9為實(shí)彈侵徹夯土靶后的記錄器.經(jīng)過實(shí)彈測試,記錄器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,測試記錄系統(tǒng)工作正常.在圖 10中,傳感器實(shí)際測得侵徹夯土靶的加速度的峰峰值為 -5.82×104g(由于實(shí)際測試需要,加速度計(jì)反向放置),經(jīng)過 1 k濾波[13-15]后,其加速度最大值為 -2.03×104g,遠(yuǎn)小于理論設(shè)計(jì)的極限值.通過實(shí)彈測試,可以證明侵徹夯土靶彈載記錄器是有效的.

圖9 記錄儀侵徹試驗(yàn)Fig.9 Penetration test of recorder

圖10 侵徹夯土靶過載曲線Fig.10 Overload curve of penetrating earth target

4 結(jié) 論

本文以彈體侵徹夯土靶加速度記錄儀為例,研究了測試存儲系統(tǒng)的組成,并采用理論分析與空氣炮試驗(yàn)的研究手段,較為全面深入地研究了侵徹過程中加速度測試記錄儀的抗沖擊性能.通過 ANSYS/LS-DYNA對此侵徹過程進(jìn)行了仿真,從理論上驗(yàn)證了記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.就其研究分析的過程而言,可以為今后侵徹硬目標(biāo)的設(shè)計(jì)提供參考.實(shí)彈試驗(yàn)證明：這種方案測試系統(tǒng)工作正常,抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定.

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