基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法

，，

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

侵徹彈在高速侵徹多層硬目標(biāo)時，加速度傳感器測得的多層侵徹過載中會疊加大量的高頻振蕩[1]，導(dǎo)致多層侵徹過載出現(xiàn)層間粘連，計層起爆算法難以識別目標(biāo)層數(shù)，無法在指定目標(biāo)層起爆戰(zhàn)斗部。如何凸現(xiàn)多層侵徹過載的穿層特征，使計層起爆算法準(zhǔn)確識別目標(biāo)層數(shù)一直是侵徹引信研究的熱點和難點。

目前多采用信號處理方法來凸現(xiàn)多層侵徹過載的穿層特征，對測得的多層侵徹過載信號進(jìn)行信號處理，從中提取包含穿層特征的信息，計層起爆算法根據(jù)提取的信息來識別目標(biāo)層數(shù)。歐陽科等提出了基于加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號融合的計層起爆算法[2]，該算法將加速度傳感器信號和MEMS開關(guān)信號分別與不同的窗函數(shù)在時域中卷積加權(quán)求和得到復(fù)合信號，然后根據(jù)得到的復(fù)合信號來判斷彈丸侵徹過程中的穿層特征。王杰等提出了基于小波系數(shù)的粘連信號穿層特征提取方法[3]，該方法利用小波基函數(shù)的信號重構(gòu)能力和減加速度信號分量提取能力來選擇處理粘連信號時所需要的最優(yōu)小波基，再使用所選的最優(yōu)小波基對粘連信號進(jìn)行小波分解來提取出包含穿層特征信息的小波系數(shù)，計層起爆算法根據(jù)所提取的小波系數(shù)來識別目標(biāo)層數(shù)。加速度傳感器和開關(guān)融合算法、基于小波系數(shù)的粘連信號穿層特征提取方法在對粘連過載的處理上都取得了效果，能夠從粘連信號中提取出包含目標(biāo)層特征的信息，但在實現(xiàn)上加速度傳感器和開關(guān)融合算法需要大量先驗數(shù)據(jù)來統(tǒng)計確定加權(quán)值，才能得到準(zhǔn)確的復(fù)合信號，基于小波系數(shù)的粘連信號穿層特征提取方法需要較大的信號處理量，會增加硬件功耗。針對多層目標(biāo)侵徹過載粘連信號成分復(fù)雜、信號處理方法從中提取穿層特征壓力大的問題，本文提出了基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法。

1 多層侵徹過載層間粘連機(jī)理及應(yīng)力波衰減理論

1.1 多層侵徹過載層間粘連機(jī)理

有研究者在做大型彈藥侵徹試驗時發(fā)現(xiàn)，大彈速度高于一定值后，侵徹多層靶時侵徹過載信號會疊加大量高頻振蕩信號，使得過載信號層與層之間相互粘連，計層算法無法識別目標(biāo)層數(shù)[1]。

分析其原因可以發(fā)現(xiàn)，大彈在侵徹多層目標(biāo)時，彈體撞擊第一層硬目標(biāo)時彈頭碰目標(biāo)位置會受到巨大的瞬態(tài)沖擊，會在彈體中產(chǎn)生傳播方向與彈運(yùn)動方向相反的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳到彈尾端面時會發(fā)生反射，產(chǎn)生反射應(yīng)力波，反射應(yīng)力波向彈頭傳播，傳到彈頭段面時會再次發(fā)生反射，如此應(yīng)力波在彈體內(nèi)來回傳播，直到應(yīng)力波能量耗盡為止。當(dāng)侵徹彈的彈長較大、彈速較高時，應(yīng)力波在彈體內(nèi)的傳播時間長，衰減慢；當(dāng)應(yīng)力波衰減時間大于彈在兩層靶板之間的飛行時間時，彈再次撞擊靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波和前次撞靶產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加，從而對彈的結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生影響，使侵徹過載信號上疊加大量的高頻振蕩信號，使過載信號層與層之間相互粘連，分層特征難以識別。

以上分析表明大彈在高速侵徹多層硬目標(biāo)時過載信號層與層之間發(fā)生粘連，主要是彈撞擊硬目標(biāo)時產(chǎn)生的應(yīng)力波在彈內(nèi)衰減過慢，與撞擊下一層目標(biāo)產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加引起的。

1.2 應(yīng)力波衰減理論

應(yīng)力波在單種材料介質(zhì)中傳播會隨著傳播距離的增加而發(fā)生衰減，其衰減方程表示為[4]：

σ=σ0exp(-αx)

(1)

式(1)中，σ0為應(yīng)力波初始應(yīng)力峰值，x為應(yīng)力波在粘彈性材料內(nèi)的傳播距離，σ為應(yīng)力波傳播到x距離時應(yīng)力峰值，σ為衰減系數(shù)。但工程中常使用的緩沖材料的衰減系數(shù)測定十分困難，難以在工程應(yīng)用中指導(dǎo)緩沖材料的選擇。柴華友等基于一維應(yīng)力波理論，研究材料阻尼對應(yīng)力波的傳播的影響時，提出材料的內(nèi)阻尼使材料具有松弛、蠕變行為，應(yīng)力波在材料中傳播時，阻尼會使應(yīng)力波的能量有一定程度的耗損[5]。應(yīng)力波在經(jīng)過不同波阻抗材料的分界面時，會在界面處發(fā)生反射和透射，產(chǎn)生界面反射衰減[4]。

1.2.1應(yīng)力波在單種材料介質(zhì)中的衰減

材料阻尼是指固體材料內(nèi)部的阻尼(又稱內(nèi)阻、內(nèi)耗或內(nèi)摩擦)，是材料的動態(tài)特性之一,和楊氏模量一樣, 是衡量固體材料性質(zhì)的一個重要物理量。材料阻尼是一種復(fù)雜的物理效應(yīng), 它使振動系統(tǒng)的動能或應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為其他形式而發(fā)生耗散，表征這種能量耗散特性的物理量稱為阻尼[6]。應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播本質(zhì)是外力引起材料質(zhì)點的振動由近及遠(yuǎn)的傳播[4]，材料阻尼使材料質(zhì)點的振動發(fā)生衰減，從而使應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播時發(fā)生衰減。材料內(nèi)部的阻尼越大，質(zhì)點振動衰減越快，應(yīng)力波在其中傳播衰減的越快。材料阻尼的大小一般用材料的損耗因子度量，損耗因子越大，材料的阻尼越大，表1列出幾種常見材料在室溫下和聲頻范圍內(nèi)的損耗因子[7]。

表1 幾種常見材料的損耗因子ηTab.1 Loss factor of some materials

橡膠是常見的高阻尼材料，由表1可以發(fā)現(xiàn)橡膠類材料的損耗因子比其他材料大幾個數(shù)量級。橡膠的阻尼特性主要取決于橡膠的分子結(jié)構(gòu)和填料。橡膠分子鏈上引入大的側(cè)基，在橡膠材料受到外力時，橡膠分子在運(yùn)動時， 大側(cè)基會阻礙大分子的運(yùn)動，增大橡膠分子之間的內(nèi)摩擦，從而增大橡膠的阻尼。加填料使橡膠分子在受到外力分子發(fā)生運(yùn)動時，分子鏈之間、鏈段與填料之間、填料與填料之間的內(nèi)摩擦?xí)龃蠓肿舆\(yùn)動時能量損耗。該增值與填料和橡膠分子之間的界面尺寸有關(guān)，填料的徑粒越小，比表面積越大，界面尺寸越大，粒子間的摩擦越大，分子運(yùn)動時損耗的能量越多，橡膠材料的阻尼越大[7]。

1.2.2應(yīng)力波在不同材料介質(zhì)界面處的衰減

材料的波阻抗是表征材料在動態(tài)載荷下力學(xué)性能的基本參數(shù)之一，其物理意義是應(yīng)力波在材料介質(zhì)中傳播時，作用于某個面積上的壓力與單位時間內(nèi)垂直通過此面積的質(zhì)點流量(即面積乘以質(zhì)點振動速度)之比。波阻抗具有阻力的含義，在數(shù)值上等于介質(zhì)密度ρ0與波速C0的乘積[8]。應(yīng)力波在傳播過程中，經(jīng)過兩種不同材料介質(zhì)的分界面時，將在分界面處發(fā)生反射和透射，如圖1所示。應(yīng)力波的反射率和透射率由構(gòu)成分界面兩種材料介質(zhì)的波阻抗決定。其中反射波、透射波和入射波的強(qiáng)度關(guān)系可通過如下方程組確定：

(2)

當(dāng)應(yīng)力波由波阻抗高的材料(入射介質(zhì))傳入波阻抗低的材料(透射介質(zhì))時，入射介質(zhì)的波阻抗與透射介質(zhì)的波阻抗比值n大于1，透射率T小于1，透射波的強(qiáng)度小于入射波的強(qiáng)度。入射介質(zhì)的波阻抗與透射介質(zhì)的波阻抗比值n越大，透射率T越小，透射波的強(qiáng)度越小，應(yīng)力波在材料介質(zhì)界面處的衰減量越大，表2列出了幾種常見材料的波阻抗。

表2 幾種常見材料的波阻抗ρ0C0Tab.2 Wave impedance of some materials

2 基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法

根據(jù)多層過載信號層間粘連機(jī)理及應(yīng)力波衰減機(jī)理，提出一種基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法。在不改變侵徹引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，使用應(yīng)力波衰減材料替換現(xiàn)有的緩沖材料，形成新的緩沖結(jié)構(gòu)，加快應(yīng)力波在彈內(nèi)的衰減，使應(yīng)力波在彈內(nèi)傳播時能量耗盡時間小于彈兩層靶板之間的飛行時間，從而避免應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過載的層間粘連。

該方法的關(guān)鍵是應(yīng)力波衰減材料的選擇。由表1和表2可以看出，硅橡膠的阻尼大，波阻抗小，是很好的應(yīng)力波衰減材料?？墒窃谧鰶_擊試驗時發(fā)現(xiàn)，普通硅橡膠的應(yīng)力波衰減能力仍達(dá)不到要求，因此需要一種應(yīng)力波衰減能力更強(qiáng)的橡膠材料。根據(jù)橡膠的阻尼特性，往橡膠中加填料可以增加橡膠的阻尼，填料的徑粒越小，增加的阻尼越大，且填料在橡膠內(nèi)部，并不改變橡膠外表面處波阻抗。

采用灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒制備新型緩沖材料，將新材料填充到引信殼內(nèi)側(cè)，在本體周圍形成緩沖層。該材料形成的緩沖層能使應(yīng)力波在彈內(nèi)快速衰減，避免了應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過載的層間粘連，從而凸現(xiàn)侵徹過載的目標(biāo)層特征。

應(yīng)力波從引信外殼傳到緩沖層時，會在引信外殼材料和緩沖材料構(gòu)成的分界面處發(fā)生反射和透射，由于引信外殼的材料為鈦合金，波阻抗為22 MPa·m-1·s-1，硅橡膠的波阻抗為1.21 MPa·m-1·s-1，應(yīng)力波由引信外殼傳入緩沖材料時透射波強(qiáng)度為σT，入射波強(qiáng)度為σI，由式(2)可以得到：

(3)

添加納米SiO2顆粒，硅橡膠的阻尼由0.15～0.30增加到0.80～1.05，阻尼越大，應(yīng)力波衰減越快，應(yīng)力波在新材料形成的緩沖層內(nèi)衰減加快。

3 試驗驗證

3.1 試驗方法

通過靶場試驗來驗證新型引信緩沖材料的多層侵徹過載目標(biāo)特征凸現(xiàn)效果。在同一個引信內(nèi)安裝兩個加速度傳感器，傳感器1裝在位置1，周圍無緩沖，測量無緩沖時的侵徹過載；傳感器2裝在位置2，周圍填充新緩沖材料(灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒)進(jìn)行緩沖，測量經(jīng)過新緩沖材料(灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒)緩沖后侵徹過載。彈內(nèi)引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。將傳感器2(有緩沖)測得的侵徹過載和傳感器1(無緩沖)測得的侵徹過載進(jìn)行對比，來觀察使用新型引信緩沖材料，是否會對多層侵徹過載信號的層間粘連情況有所改善。

使用炮彈搭載引信，發(fā)射速度為(400 ±30) m/s，侵徹3層鋼筋混凝土靶板，第一層厚度0.3 m，第二層厚度0.18 m, 第三層厚度0.18 m，靶板強(qiáng)度C30，靶板設(shè)置在距炮口50 m處，靶板的靶面垂直于彈道，靶板間距為0.8 m(前靶后端面到后靶前端面之間)，靶板布置情況如3所示。

3.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)束后，試驗彈成功回收，彈內(nèi)測試裝置成功讀取到試驗數(shù)據(jù)，傳感器1、傳感器2測得侵徹過載數(shù)據(jù)如圖4所示。

傳感器1和傳感器2 測得的多層侵徹過載數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，裝在位置1處無緩沖的傳感器1測得的侵徹過載峰值為5.08萬g，層間粘連嚴(yán)重，難以識別目標(biāo)層特征；裝在位置2處經(jīng)新型緩沖材料緩沖的傳感器2測得的侵徹過載峰值為2.24萬g，目標(biāo)層特征清晰。

試驗結(jié)果表明，灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒制成的新型緩沖材料，能有效改善多層侵徹過載信號的層間粘連情況。新型緩沖材料與引信外殼的材料界面、新型緩沖材料形成的緩沖層都能加快應(yīng)力波的衰減，使撞擊靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波能量在彈內(nèi)的耗盡時間小于彈體在兩層靶板之間的飛行時間，從而避免了撞擊前一層靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波與撞擊下一層靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加導(dǎo)致的侵徹過載層間粘連的情況，凸現(xiàn)侵徹過載的目標(biāo)層特征，同時使過載峰值大幅下降。

4 結(jié)論

本文提出的基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法，該方法采用灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒

制備新型的緩沖材料，將新材料填充到引信殼內(nèi)側(cè)，在本體周圍形成緩沖層。該材料形成的緩沖層能使應(yīng)力波在彈內(nèi)快速衰減，避免了應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過載的層間粘連，從而凸現(xiàn)侵徹過載的目標(biāo)層特征。試驗驗證結(jié)果表明：同一發(fā)彈內(nèi)采用該材料緩沖測得的侵徹過載層特征較未采用該材料緩沖的侵徹過載層特征明顯。

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