基于Autodyn 靶材優(yōu)化的新型梳狀靶破片測試技術(shù)*

郜 凡 顏 偉 褚文博 張 斌 趙冬娥

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原 030051）（2.北方自動控制技術(shù)研究所 太原 030006）

1 引言

隨著國內(nèi)外對殺爆戰(zhàn)斗部爆破瞬間產(chǎn)生的各類殺傷元性能參數(shù)的深入研究，對破片速度及中靶坐標(biāo)的高精度測量及多路破片中靶數(shù)據(jù)信號采集存儲技術(shù)提出了更高要求［1～6］。其中針對破片速度測試，當(dāng)前主要利用定距測時原理的接觸式測量和非接觸式測量方法。其中非接觸式測量主流方法包括光電靶測速法［7～8］、聲靶測速法［9～13］和多普勒測速法［14～18］，其測試數(shù)據(jù)易受到試驗現(xiàn)場惡劣環(huán)境的影響，如戰(zhàn)斗部爆炸時產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波、瞬時高壓、瞬態(tài)高溫等；系統(tǒng)防護(hù)困難，成本較高，且無法實(shí)現(xiàn)破片中靶坐標(biāo)的測試，接觸式測量法包括鋁箔靶、銅絲網(wǎng)靶和梳狀靶，成本低，安裝操作簡單且適合在惡劣環(huán)境下大面積鋪設(shè)。但現(xiàn)有接觸式測量法存在以下不足：傳統(tǒng)接觸式測量法因靶網(wǎng)材質(zhì)較硬，靶網(wǎng)制作復(fù)雜，可擴(kuò)展性較差、攜帶困難，對破片的動能衰減大且無法實(shí)現(xiàn)對破片中靶位置測試。因此本研究在傳統(tǒng)梳狀靶［19～21］基礎(chǔ)上設(shè)計研制了新型梳狀靶傳感器。新型梳狀靶采用銀漿印刷作為測量電極，將梳齒狀銀漿電路印刷至新型梳狀靶材基底上，其具有可彎折、攜帶輕便、便于布設(shè)優(yōu)點(diǎn)的同時可完成各類惡劣環(huán)境下對破片中靶速度和中靶坐標(biāo)的測試。

2 測試原理

針對破片著靶速度及中靶坐標(biāo)測試，提出了新型梳狀靶測速測坐標(biāo)方法。本系統(tǒng)主要包括：新型梳狀靶測試信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、多路數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理等四部分。首先破片穿過新型梳狀靶產(chǎn)生模擬信號，并經(jīng)FPGA 處理轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)對多路信號的處理。后由數(shù)據(jù)處理軟件完成破片中靶速度與中靶坐標(biāo)的處理，系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

其中新型梳狀靶線路基于通斷原理，當(dāng)破片擊穿新型梳狀靶瞬間，相應(yīng)中靶位置線路產(chǎn)生電壓信號，F(xiàn)PGA 對各路變化電壓信號進(jìn)行采集存儲。破片經(jīng)過新型梳狀啟動靶與終止靶的時間信號分別由FPGA記錄為t1，t2，已知靶距為L。上位機(jī)根據(jù)v=L/（t2-t1）即可計算中靶速度。

當(dāng)破片經(jīng)過新型梳狀啟動靶時，F(xiàn)PGA 通過對應(yīng)通道連接線路記錄中靶通道為X（X=1-15）當(dāng)破片經(jīng)過新型梳狀終止靶時，F(xiàn)PGA 記錄中靶通道為Y（Y=1-15）；每個通道分區(qū)靶寬為定值K，則破片中靶坐標(biāo)為（KX，KY）。FPGA 數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖2 FPGA數(shù)據(jù)處理流程圖

3 Autodyn靶面材質(zhì)仿真優(yōu)化

為解決傳統(tǒng)梳狀靶采用覆銅板材質(zhì)靶面造成的靶面質(zhì)量大、不便攜帶且因靶材較硬對所測破片速度造成衰減情況嚴(yán)重等問題，本研究在傳統(tǒng)梳狀靶線路設(shè)計的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)梳狀靶材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)，并基于Autodyn 軟件對所選新型梳狀靶面材質(zhì)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，進(jìn)而選取最佳的靶面厚度及靶面材質(zhì)。

3.1 破片侵徹新型梳狀靶材理論分析

新型梳狀靶主要由銀漿印刷電路和新型材質(zhì)襯底組成，通過印刷工藝將導(dǎo)電介質(zhì)印制在新型材質(zhì)襯底上。新型材質(zhì)襯底選擇范圍極為廣闊，其中包括聚對聚酰亞胺（PI）、聚碳酸酯（PC）、苯二甲酸乙二醇酯（PET）等新型材質(zhì)襯底，本文主要選擇三種典型的新型材質(zhì)襯底進(jìn)行建模分析。

破片材料為4340 號鋼材，該材料采用雙線性彈塑性材料模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC，材料模型得應(yīng)變率由Cowper-Symonds 描述為式（1）。

式（1）中：σd為動態(tài)屈服強(qiáng)度；σ0為靜態(tài)屈服強(qiáng)度；E 為彈性模量，E=205Gpa；Eh為硬化模量，取Eh=335Mpa；εp為有效塑性應(yīng)變；ε為等效塑性應(yīng)變率；D、n 為常數(shù)，對于低碳鋼，一般取值令n=5，D=40。該材料失效模型一般采用最大等效塑應(yīng)變失效準(zhǔn)則。破片材料參數(shù)如表1所示。

表1 破片材料參數(shù)

PET、PI、PC 均屬于纖維增強(qiáng)復(fù)合型材料，其受到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系描述為式（2）。

式（2）中，ε1、ε2為材料縱向、橫向的拉伸應(yīng)變；σ1、σ2為材料縱向、橫向拉伸應(yīng)力；v1、v2為縱向、橫向泊松比；E1、E2為縱向、橫向拉伸模量。

破片模擬侵徹新型梳狀靶傳感器時發(fā)生纖維斷裂和基體開裂，因此材料模型選用chang-chang失效模型準(zhǔn)則，具體失效準(zhǔn)則描述為式（3）、（4）。

1）纖維斷裂失效準(zhǔn)則：

當(dāng)Ffiber＞1時，新型梳狀測試傳感器發(fā)生纖維斷裂失效。

基體開裂失效準(zhǔn)測：

當(dāng)Fmatrix＞1 時，新型梳狀測試傳感器發(fā)生基體開裂失效。其中破片的σd＞新型梳狀靶傳感器的Ffiber和Fmatrix，新型梳狀靶發(fā)生斷裂。選用PET為例作為新型材質(zhì)基底，其參數(shù)如表2所示。

表2 PET新型材質(zhì)襯底參數(shù)

3.2 基于AUTODYN有限元建模計算與分析

為探究各類新型材質(zhì)襯底對破片過靶的影響程度，使用Autodyn 軟件建立破片在不同速度下撞擊新型梳狀靶的侵徹運(yùn)動模型，其中破片直徑為7mm，新型梳狀靶尺寸為2.5mm（寬）×20mm（長）×60mm（高），新型梳狀靶材質(zhì)優(yōu)化流程圖如圖3 所示。根據(jù)破片侵徹不同新型材質(zhì)襯底時襯底的最大變形長度、最大開花口徑以及對破片動能損失等判據(jù)獲得最優(yōu)新型梳狀靶襯底基材。

圖3 基于Autodyn新型梳狀靶材質(zhì)優(yōu)化流程圖

模擬破片在1500m/s 侵徹PET、PI、PC、覆銅板4種新型材質(zhì)襯底的有限元動態(tài)仿真如圖4～圖7所示。

圖4 7mm球形破片侵徹PET材質(zhì)過程

圖5 7mm球形破片侵徹PI材質(zhì)過程

圖6 7mm球形破片侵徹PC材質(zhì)過程

圖7 7mm球形破片侵徹覆銅板材質(zhì)過程

破片以不同速度侵徹不同材質(zhì)襯底的新型梳狀靶面后，分析對比靶面最大開花口徑、靶面最大變形長度、破片速度衰減情況仿真結(jié)果并繪制相關(guān)參數(shù)曲線如圖8～圖10所示。

圖9 不同材質(zhì)破片侵徹薄膜最大變形

圖10 不同材質(zhì)破片侵徹薄膜破片速度損失

由圖可知，在破片以1500m/s 侵徹PET 材質(zhì)時，引起靶面材質(zhì)開花口徑為8.62mm，PET 為四類靶面材質(zhì)中靶面開花口徑最小，破片位置測試精度最高的靶面材質(zhì)；在破片以1500m/s 侵徹PET 材質(zhì)時，引起靶面材質(zhì)最大變形長度為2.57mm，PET 為四類靶面材質(zhì)中靶面最大變形長度最小，破片速度測試精度最高靶面材質(zhì)；在破片以1500m/s 侵徹PET 材質(zhì)時，靶面材質(zhì)對破片速度損失為8.3m/s，PET 為四類靶面材質(zhì)中靶面材質(zhì)對破片速度損失最小靶材。并相應(yīng)仿真了破片在500m/s、1000m/s、1500m/s、2000m/s、2500m/s 下四類靶面材質(zhì)的相關(guān)開花口徑、最大變形長度以及對破片速度損失情況。仿真結(jié)果都突出證明PET 作為新型梳狀靶面材質(zhì)的優(yōu)越性。

4 試驗驗證

基于上述理論設(shè)計，搭建新型梳狀靶破片參數(shù)測試系統(tǒng)并進(jìn)行試驗驗證。首先進(jìn)行彈道槍破片射擊試驗，共射擊破片4 發(fā)。試驗過程中與激光光幕靶前后緊密布排，比較激光光幕靶（精度為1%）與本系統(tǒng)破片速度測試結(jié)果偏差，測試現(xiàn)場如圖11所示，測試對比結(jié)果如表3所示。

表3 激光光幕靶與速度傳感器比對結(jié)果匯總

圖11 彈道槍破片射擊測試現(xiàn)場圖

后進(jìn)行戰(zhàn)斗部靜爆試驗，圖12 是某型彈靶場破片測速試驗現(xiàn)場布局，在距離炸點(diǎn)12m處布設(shè)新型梳狀靶破片參數(shù)測試系統(tǒng)。

圖12 靶場破片測速試驗現(xiàn)場分布圖

圖13、14 是數(shù)據(jù)處理階段上位機(jī)軟件顯示中靶4 發(fā)破片波形圖，其中波形圖橫坐標(biāo)為破片中靶時間和中靶通道；縱坐標(biāo)為破片中靶電平。表4 是4 發(fā)破片的數(shù)據(jù)測試結(jié)果。根據(jù)炸點(diǎn)到測試系統(tǒng)的距離，可求出兩過靶破片的平均速度。

表4 破片數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖13 上位機(jī)軟件顯示中靶時間與中靶通道圖

圖14 上位機(jī)軟件顯示中靶時間與中靶通道圖

通過彈道槍破片射擊環(huán)境與惡劣環(huán)境下靜爆測試試驗，對比彈道槍破片射擊環(huán)境下本系統(tǒng)破片測速結(jié)果與激光靶破片測速結(jié)果，可有效證明采用本論文選取的新型梳狀靶傳感器測量的數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)梳狀靶測試結(jié)果準(zhǔn)確率高、可滿足在惡劣環(huán)境下破片中靶速度、中靶坐標(biāo)的參數(shù)測試；其中系統(tǒng)測速精度誤差小于1%、中靶坐標(biāo)區(qū)域靶寬為50mm。

5 結(jié)語

本研究通過基于Autodyn靶材優(yōu)化技術(shù)選取并設(shè)計了最佳適應(yīng)于爆破場環(huán)境下的新型梳狀靶面?zhèn)鞲衅鳎啻瓮瓿赏鈭鰫毫迎h(huán)境下破片參數(shù)測試任務(wù)。以其韌性好，質(zhì)量輕且可完成對多破片中靶速度和中靶坐標(biāo)測試等優(yōu)點(diǎn)，目前可應(yīng)用于人體靶標(biāo)中?？煞謩e將新型梳狀靶面貼附、安裝至人體靶標(biāo)的關(guān)鍵器官部位（包括頭部、肺部、心臟、肝臟、胃部、大腸、手部、腿部等）。利用本測試靶面即可測試破片擊中人體靶標(biāo)的位置及速度，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場人員目標(biāo)破片殺傷參數(shù)的測試。系統(tǒng)下一步研究重點(diǎn)是與人體靶標(biāo)器官高度吻合的可穿戴式人體器官毀傷評估傳感器，可對日后爆破場中大規(guī)模人員目標(biāo)毀傷評估提供新的技術(shù)支持。