印刷電路(PCB)靶在破片速度測(cè)試中的應(yīng)用*

劉 瀚， 任 杰， 王 偉， 徐豫新

(1. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2. 中國(guó)兵器工業(yè)第53研究所， 山東 濟(jì)南 250031)

0 引 言

高速飛散破片是殺爆戰(zhàn)斗部中的重要?dú)?其飛散速度是衡量戰(zhàn)斗部威力效應(yīng)的重要指標(biāo)之一. 精確測(cè)量破片飛散速度是從事高效毀傷和安全防護(hù)研究者們共同關(guān)心的問(wèn)題. 現(xiàn)有破片速度測(cè)試方法多基于區(qū)截測(cè)速原理， 按照破片與測(cè)速靶是否接觸進(jìn)行分類(lèi)， 常見(jiàn)的接觸靶有銅絲靶網(wǎng)[1-2]、 錫(鋁)箔靶、 電探針?lè)╗3]， 常見(jiàn)的非接觸靶有聲靶、 電磁線圈靶、 天幕靶、 光幕靶[4]和高速攝影法[5-7]. 非接觸靶雖然不會(huì)影響破片的飛行速度和姿態(tài)， 對(duì)靶無(wú)損， 使用效率高， 但易受外界環(huán)境影響. 殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片速度測(cè)試環(huán)境極為惡劣， 存在爆炸火光、 粉塵、 強(qiáng)沖擊、 振動(dòng)等多種干擾因素， 同時(shí)由于戰(zhàn)斗部破片數(shù)量多、 飛散范圍大， 很難對(duì)價(jià)格昂貴的非接觸靶進(jìn)行有效防護(hù)， 因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)于戰(zhàn)斗部破片速度測(cè)量大多采用接觸式測(cè)量法[8-9]. 然而銅絲靶網(wǎng)制作復(fù)雜、 制作周期長(zhǎng)、 銅線間距和纏繞松緊度對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響[10]， 因此經(jīng)常有研究者們對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn). 采用印刷電路斷靶測(cè)試裝置， 該印刷電路(PCB)測(cè)速靶因具有加工、 使用方便、 可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)， 一直被各試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)大量使用. 但該類(lèi)印刷電路(PCB)測(cè)速靶的測(cè)試效果卻一直未被校準(zhǔn)， 測(cè)試精度尚不確定. 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法， 與紅外光幕靶測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 研究了破片頭部形狀對(duì)其測(cè)試精度的影響.

1 印刷電路靶(PCB)測(cè)速原理與機(jī)械性能

如圖 1 所示， 通過(guò)在環(huán)氧玻纖布層壓板(FR-4.0)上覆著銅箔制作印刷電路靶， 銅箔以蛇形環(huán)繞的方式連續(xù)排布在玻纖板上， 銅箔寬0.5 mm， 相鄰銅箔間距1 mm， 電路靶厚度0.3 mm， 表面積為150 mm×200 mm， 其機(jī)械性能如表 1 所列， 電路靶實(shí)物如圖 2 所示.

圖 1 環(huán)氧玻纖布層壓板(FR-4.0)覆銅箔尺寸Fig.1 Dimensions of epoxy glass-cloth laminate which covered with copper foil

圖 2 印刷電路靶實(shí)物圖Fig.2 The physical photo of the PCB plate

銅箔剝離強(qiáng)度/N·mm-1翹曲度/%抗彎強(qiáng)度/MPa1.700.35565

印刷電路測(cè)速靶的測(cè)速實(shí)質(zhì)等同于靶網(wǎng)測(cè)速原理. 實(shí)驗(yàn)前在電路靶兩端引出的導(dǎo)線上通入電流， 當(dāng)破片通過(guò)電路靶時(shí)， 切斷覆著在玻纖板上的銅箔， 產(chǎn)生斷路信號(hào)[11]. 與傳統(tǒng)銅絲靶網(wǎng)破片速度測(cè)試裝置相比， 印刷電路靶克服了銅線松緊不一致、 銅線間距過(guò)大、 作用不穩(wěn)定的缺點(diǎn)， 具有簡(jiǎn)單方便、 一致性好、 可靠性高等特點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了檢驗(yàn)印刷電路靶的測(cè)試精度， 分別通過(guò)56式自動(dòng)步槍拋射Φ7.62 mm×39 mm尖頭步槍彈、 Φ14.5 mm線膛彈道槍拋射Φ12.8 mm×40 mm平頭圓柱狀破片， 兩種破片結(jié)構(gòu)如圖 3 所示， 同時(shí)利用紅外光幕靶和印刷電路靶測(cè)量破片速度. 實(shí)驗(yàn)中， 通過(guò)螺栓將印刷電路靶固定在剛性測(cè)速靶架上， 測(cè)速靶如圖 4 所示. 為了盡可能降低破片飛行過(guò)程中速度衰減造成的測(cè)試誤差， 光幕靶與印刷電路靶測(cè)點(diǎn)重合實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示， 電路靶靶距400 mm， 光幕靶靶距1 500 mm， 槍口距離測(cè)點(diǎn)3 000 mm. 破片出膛后， 依次穿過(guò)光幕靶和電路靶， 產(chǎn)生斷靶信號(hào)， 通過(guò)6通道測(cè)時(shí)儀分別記錄破片穿過(guò)光幕靶和電路靶測(cè)速區(qū)間所用時(shí)間， 計(jì)算破片速度. 實(shí)驗(yàn)用紅外光幕靶測(cè)速系統(tǒng)測(cè)試精度高達(dá)99.9%[12]， 故以光幕靶測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算電路靶測(cè)速誤差， 尖頭破片與平頭破片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別列于表 2 和表 3 中.

圖 3 不同頭部形狀的破片實(shí)物圖Fig.3 The physical photos of the fragments with different nose shapes

圖 4 印刷電路靶測(cè)速系統(tǒng)的應(yīng)用Fig.4 The application of PCB velocimetry

圖 5 破片速度測(cè)試布置Fig.5 The layout of the fragment velocity test

序號(hào)破片速度/m·s-1光幕靶印刷電路靶絕對(duì)誤差/m·s-1相對(duì)誤差/%1704.9704.00.90.132713.6712.80.80.113716.7715.31.40.20

表 3 Φ12.8 mm×40 mm平頭圓柱破片測(cè)試結(jié)果

由表 2 結(jié)果可見(jiàn)， 尖頭破片高速撞擊作用下的印刷電路靶的測(cè)試誤差均不大于0.2%， 具有較高的測(cè)試精度與可靠性. 由表3結(jié)果可見(jiàn)， 在平頭圓柱破片高速撞擊下， 印刷電路靶與光幕靶的絕對(duì)誤差為38.6～181.2 m/s， 相對(duì)誤差為4.59%～20.22%， 具有較大的分散性.

3 測(cè)試結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究破片頭部形狀對(duì)印刷電路靶測(cè)試精度的影響， 分別對(duì)高速尖頭破片和平頭破片撞擊下印刷電路靶的破壞模式進(jìn)行分析. 實(shí)驗(yàn)回收印刷電路靶如圖 6 所示， 由圖6(a)可見(jiàn)， 高速尖頭破片撞擊下， 印刷電路靶上有近似圓形穿孔， 孔徑等于尖頭破片直徑； 由圖6(b)可見(jiàn)， 高速平頭破片撞擊下， 印刷電路靶上破壞區(qū)域面積大于破片底面積， 呈不規(guī)則形狀， 有撕裂狀特征.

圖 6 測(cè)試回收的印刷電路靶Fig.6 The test retrieved PCB plates

由圖6現(xiàn)象推斷， 尖頭破片高速撞擊下， 彈靶接觸面積小， 近似為點(diǎn)接觸， 存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象， 局部接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于印刷電路靶的剪切強(qiáng)度， 電路靶發(fā)生脆性剪切破壞. 在平頭破片高速撞擊下， 彈靶接觸面積較大， 初始接觸應(yīng)力小于電路靶的剪切強(qiáng)度， 電路靶發(fā)生較大的撓曲變形， 并進(jìn)一步將撞擊能量分散到撞擊點(diǎn)附近的區(qū)域， 應(yīng)力分布不均勻. 隨著電路靶變形量的不斷增加， 當(dāng)某一點(diǎn)處的局部接觸應(yīng)力大于材料的剪切強(qiáng)度時(shí)， 電路靶撞擊區(qū)域發(fā)生局部剪切破壞， 銅箔切斷產(chǎn)生斷路信號(hào). 在平頭破片高速撞擊下， 印刷電路靶呈彈塑性特征， 伴有較大的撓曲變形， 實(shí)際靶距和時(shí)間差與測(cè)試值間存在誤差， 導(dǎo)致平頭破片速度測(cè)試出現(xiàn)較大誤差， 應(yīng)力分布不均勻進(jìn)一步加大了測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性與分散性.

考慮到殺爆戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的自然破片形狀不規(guī)則， 速度分布區(qū)間較大， 上述研究結(jié)果表明： 印刷電路靶僅在用于槍彈速度測(cè)試時(shí)精度較高， 因此并不適用于殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散速度的測(cè)試.

4 結(jié) 論

基于斷靶區(qū)截測(cè)速原理， 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)銅絲靶網(wǎng)測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)， 設(shè)計(jì)出一種印刷電路斷靶測(cè)速裝置， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其測(cè)試精度和適用范圍進(jìn)行討論， 獲得結(jié)論如下：

1) 印刷電路靶對(duì)高速尖頭破片的測(cè)試誤差小于0.2%， 對(duì)高速平頭破片的測(cè)試誤差為4.59%～20.22%.

2) 在尖頭破片高速撞擊下， 印刷電路靶發(fā)生脆性剪切破壞； 在平頭破片高速撞擊下， 印刷電路板發(fā)生嚴(yán)重的撓曲變形， 實(shí)際靶距和時(shí)間差與測(cè)試值間存在誤差， 導(dǎo)致平頭破片速度測(cè)試出現(xiàn)較大誤差， 應(yīng)力分布不均勻進(jìn)一步加大了測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性與分散性.

3) 因印刷電路靶僅在用于槍彈速度測(cè)試時(shí)精度較高， 并不適用于殺爆戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散速度的測(cè)試.

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