彈丸侵徹多層目標過程數(shù)值仿真及計層策略

張起博，焦志剛

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍事設備及指揮中心成為重點打擊目標，因此許多重要的軍事目標都轉移到了地下深處，絕大部分的常規(guī)武器已經(jīng)不能對這些目標進行有效的打擊，于是侵徹技術和鉆地武器迅速發(fā)展。在“五八事件”中，美國的三枚精確制導炸彈穿透五層樓板，在地下室發(fā)生爆炸，這一事件說明進行侵徹武器的研究有著重要的意義。侵徹武器一般具有定時、計行程、計層數(shù)/空缺、介質識別等功能，能在高加速度條件下實現(xiàn)自適應起爆控制。智能引信能夠識別目標并準確記錄彈藥侵徹過程的行程和目標層數(shù)，實現(xiàn)自適應實時炸點控制。計層起爆控制方法適用于攻擊多層目標，如多層建筑物。計層起爆的優(yōu)點是打擊精度高，對目標打擊靈活性高，其難點在于如何排除干擾，實現(xiàn)精確計層。

李豪杰等[1]對侵徹過程進行有限元仿真分析，得到了利用侵徹加速度進行計層起爆控制的方法。李俊鋒等[2]分析了軟層(或薄層)、干擾層等復雜目標可能對精確計層產(chǎn)生的影響。范錦彪等[3]研究了侵徹加速度信號的特征，提出利用加速度信號來處理零點漂移修正原則和濾波截止頻率選擇原則，確定彈丸侵徹混凝土目標減加速度信號的處理原則。李崢輝等[4]通過實彈撞擊鋼板試驗，對彈丸侵徹鋼板過程中的加速度進行采集，總結出彈丸侵徹鋼板的加速度處理方法。Paul M.Booker等[5]進行了6組彈丸對多層混凝土靶的侵徹試驗，在彈體的前后安裝了加速度傳感器，成功測得3組彈丸侵徹多層無間隔混凝土靶板的過載曲線。喬相信等[6]通過設計隨機裝訂和延時起爆系統(tǒng)，達到對機場跑道的有效破壞并對其長時間封鎖的目的。本文通過Autodyn-3D對彈丸正侵徹和20°斜侵徹間隔靶板過程中的加速度進行研究，得到了彈丸侵徹多層靶板的計層方法，同時剔除了豎直墻結構帶來的影響，為精確計層提供一種新思路。

1 高速彈丸侵徹多層靶板數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

高速彈丸斜侵徹靶板的幾何模型如圖1所示。

彈體尺寸為Φ125mm×520mm，靶板為三層間隔結構，通過查閱相關資料得知，頂層樓板相對較厚，其余樓板較薄，故計算模型第一層靶板厚度為30cm，第二、三層厚度均為18cm，靶板面積為400cm×200cm，靶板間距為300cm。斜侵徹時彈丸的入射角為20°，并在斜侵徹的基礎上加入厚度為15cm的豎直墻結構。為減少計算量，根據(jù)結構的對稱性建立1/2模型。

圖1 三維幾何模型

1.2 材料模型

彈體材料為高強度鎢合金，在侵徹過程中侵蝕和變形很小，仿真時選擇剛體模型，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 彈體材料參數(shù)表

靶板選用混凝土材料，采用P-alpha狀態(tài)方程，HJC本構模型可以很好地反應出大變形、高應變率、高壓力下的相應情況。具體材料參數(shù)如表2所示[7]。

表2 混凝土材料參數(shù)表

2 結果分析

2.1 正侵徹靶板特性分析

正侵徹時，彈丸速度及侵徹加速度曲線如圖2所示。

彈丸初速為1500m/s，末速減小為約1320m/s，圖2a中明顯看到彈丸速度存在三次改變，每侵徹一層靶板，就會產(chǎn)生速度突變。圖2b中可以看出，垂直加速度共有三個峰值，代表著三層靶板產(chǎn)生的加速度信號；穿過第一層靶板時加速度峰值超過了400000m/s2，第二層和第三層加速度峰值較第一層略小。因為侵徹加速度是在彈體剛開始侵徹靶板的一瞬間記錄的，所以第一層的侵徹加速度會有一點缺失。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未體現(xiàn)出環(huán)境對彈丸的干擾，所以加速度曲線比較平滑。

圖2 正侵徹時垂直速度及加速度曲線

2.2 斜侵徹靶板特性分析

20°入射角斜侵徹三層靶板時，由于存在入射角，需要在不同方向討論彈丸侵徹加速度變化情況，彈丸垂直和水平速度及加速度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 20°斜侵徹時垂直速度及加速度曲線

圖4 20°斜侵徹時水平速度及加速度曲線

彈丸垂直和水平速度都存在三次改變，對應存在三個加速度峰值，彈丸垂直分速度由1410m/s減小到1320m/s，侵徹首層靶板時加速度峰值達到了190000m/s2，其余兩個加速度峰值為175000m/s2左右。彈丸水平分速度由510m/s減小到486m/s，侵徹首層靶板時加速度峰值達到了70000m/s2，其余兩個加速度峰值分別為51000m/s2和41000m/s2左右，三個加速度峰值成遞減趨勢。垂直和水平方向產(chǎn)生的三個加速度峰值意味著侵徹三層靶板。

20°入射角斜侵徹帶豎直墻的三層靶板時，彈丸垂直和水平速度及加速度曲線如圖5、圖6所示。

圖5 20°斜侵徹時垂直速度及加速度曲線

圖6 20°斜侵徹時水平速度及加速度曲線

彈丸垂直和水平速度發(fā)生了4次變化，對應產(chǎn)生了4個加速度峰值。彈丸垂直分速度由1410m/s減小到1249m/s，侵徹首層靶板時加速度峰值達到了190000m/s2，其余三個加速度峰值為180000m/s2左右；水平分速度由510m/s減小到479m/s，加速度峰值分別為62000m/s2、57000m/s2、70000m/s2和40000m/s2左右。

與不帶豎直墻的斜侵徹圖像對比，彈丸在3.3ms時，加速度多了一個峰值，這個峰值是彈丸侵徹豎直墻產(chǎn)生的加速度信號。

3 計層策略

計層起爆既要實現(xiàn)彈丸侵徹多層目標時，使彈丸在預定的層數(shù)起爆。研究計層策略時主要考慮兩方面因素：一個是侵徹加速度的峰值特征，另一個是侵徹加速度的間隔時間。

彈丸侵徹靶板時，采用設置加速度閾值的方法進行計層，閾值的選擇應根據(jù)目標的介質材料進行判斷；當垂直和水平加速度的值大于這個閾值時判定為有效峰值，彈丸加速度在侵徹過程中出現(xiàn)有效峰值的個數(shù)，即為侵徹靶板的層數(shù)。當水平加速度在侵徹過程中始終非常小時，判定為正侵徹，上述計層方法同樣適用，只需要通過垂直加速度進行判斷即可。

但存在豎直墻結構時，會導致多計層的情況出現(xiàn)，針對這種情況，可以采取兩種方法來剔除其造成的影響。基本原理是：在侵徹過程中，當彈丸垂直和水平加速度峰值發(fā)生互換，即判定侵徹豎直墻，應該剔除相應的層信號：當彈丸由于姿態(tài)偏轉，導致垂直和水平加速度峰值無法判斷是否互換時，可以采取設置間隔時間的方法，即計算出理論的侵徹間隔時間，若峰值出現(xiàn)在間隔時間內(nèi)，則忽略此加速度峰值帶來的層信號，間隔時間歸零，直到正常計層后，重新計算間隔時間，繼續(xù)進行計層。

間隔時間的設定需根據(jù)彈丸初速、著角及靶板間距決定，計算方法為

式中：l為靶板間距；v0為彈丸初速；θ為彈丸初始侵徹角度；t為侵徹時間；a(t)為垂直加速度函數(shù)，由三軸加速度傳感器得到。

以20°斜侵徹間隔為3m的靶板仿真為例，彈丸在侵徹過程中垂直和水平速度及加速度如圖5、圖6所示，穿透第二層的時間為2.5ms，則彈丸到達第三層靶板的理論時間為

計層方法流程圖如圖7所示。

4 計層策略驗證

將圖7的計層方法在Matlab中建立數(shù)學模型，導入侵徹帶豎直墻垂直和水平加速度數(shù)據(jù)，由于曲線不夠平滑，在Matlab中進行擬合，使其更加光滑，擬合后的水平加速度曲線如圖8所示。

圖7 計層方法流程圖

圖8 擬合后的水平加速度曲線

Matlab輸出結果如圖9所示。運行一段時間后，輸出有效加速度峰值有三個，代表侵徹三層靶板，同時剔除了豎直墻的影響，實現(xiàn)精確計層。

圖9 Matlab輸出結果

5 結論

通過正侵徹和入射角為20°的斜侵徹三層間隔靶板的數(shù)值模擬，分析了彈丸侵徹間隔靶板過程的加速度變化規(guī)律，利用Matlab將彈丸加速度信號進行處理，對穿透的水平靶板實現(xiàn)計層，與普通計層策略相比，本文探討了存在豎直墻結構時的計層方法；利用彈丸侵徹過程中垂直和水平加速度，成功剔除其對計層策略的影響，實現(xiàn)了精確計層。