1 绪论
1.1 引言
现代战争中，越来越多的高价值军事、政治目标，转向地下或是采用更坚固的防护装置。研发高性能的“智能型”弹药是应对目标防护的加强、提高弹体实战性的有效措施。唯有精确控制侵深、准确引信才能达到对攻击目标的最优毁伤。目前主要是通过加速度传感器来获取侵彻过载，计深控制可实时计算侵彻深度，形成对目标的有效毁伤[1]。在侵彻这一动态过程中的复杂性决定了过载信号是非平稳信号，其中包含较多瞬变成分的。侵彻过程中弹药承受的过载可达 104-105g（g 为重力加速度）。高 g 值过载环境使得弹体在研制时必须满足：弹体的材料力学性能与结构强度要达到对侵彻靶体的要求、炸药的安定性和引信强度要满足高过载要求，同时为了达到最佳侵彻效果，引信延时要与侵彻行程相互协调[2]。并且实测过载数据提供了弹体侵彻模拟测试的初始边界条件和校验的依据[3]。故，侵彻过载测试是解决深层侵彻武器精确打击的一项重要技术，研究如何准确测量弹体侵彻过程中的过载特性十分迫切。对于弹体发射、飞行、撞靶侵彻过程中的加速度信号实时记录，国内外多采用弹载存储测试技术来完成。将利用加速度传感器采集的过载信号进行一次与二次积分就可以得到侵彻速度与距离。然而，测试结果表明，实测过载数据与积分值相差较大。侵彻过程伴随着弹体的结构响应，研究弹体在动载荷下的结构响应特性、找到实测值与积分值之间有差异的原因，对设计弹体过载信号的滤波方案、弹体结构设计、弹载存储测试系统的安装位置，确保弹载系统的正常工作、实现引信功能有着重要的指导意义。
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1.2 研究现状
各国学者对于侵彻终了数据(如侵彻深度)等研究较多，直到第一次海湾战争，才开始系统地研究弹体侵彻过载这一过程量。研究手段为实验研究、理论分析、数值模拟为主。科研工作人员运用科学的实验原理和方法，基于合理的假设和科学理论的前提下，有目的地操纵某些因素或条件，观察措施与效果之间的因果关系，分析有意义的数据，并从中探索规律的研究方法叫做实验研究[4]。因实验研究侵彻问题具有直观、可靠的特点，所以仍然是目前最常用、最基础的研究方法。国外以美国桑地亚国家重点实验室和美国陆军水道实验室为代表，进行了大量侵彻实验，并通过弹载存储技术实测侵彻过载曲线[5-9]。1973 年 Rohani 等测量了弹体侵彻沙质粘土时加速度的历程，1975 年 Chen 进行了弹体侵彻 Antelop 地区岩石时的加速度测量，1976 年 Wagner 等测量了弹体侵彻科罗拉多大峡谷附近凝灰岩时的加速度曲线[10]。1991 年，美国空军采用弹载轴向加速度计获得了弹体垂直侵彻由 31 MPa 钢筋混凝土与砂层组成的多层地下结构时的过载，其测得弹体最大的侵彻过载为 27000 g，同时采用 4 kHz 作为滤波频率进行了滤波[11]。1992 年，美国圣地亚实验室的 Forrestal 等人[9]进行了弹体垂直侵彻半无限土壤的试验，采用弹内存储法测得了刚性弹体的侵彻过载时程曲线，试验测得的过载峰值在 1200 g 左右，并采用 1 kHz 作为滤波频率。2003 年，Forrestal 等[5]又进行了弹体垂直侵彻靶板强度为 39 MPa 和 23 MPa 的混凝土靶时过载的测量，通过过载记录仪，测得最大的刚性弹体过载为 13000 g。2006 年，Frew 和 Forrestal 等[6]完成了同一弹体对同强度三种不同直径的混凝土靶板的侵彻试验，实验结果说明靶体的直径大小对侵彻深度影响甚微，而弹体侵彻的过载信号却随靶板直径的减小稍有下降。2009 年，Booker 和 Cargile[7]采取了在每个弹体的前、后位置都安装有一个 SNL 研发的 3 轴 Millipen(3AMP)数据记录器的方式，进行了混凝土分段靶和整体靶的侵彻测试，在三个正交方向上以 15 kHz 的采样频率获取加速度曲线。弹载记录仪在 6 次试验中发生了 3 次异常，以致没有获取数据或后端仪器测得数据不可靠；在获得的侵彻过载曲线中发现均存在零漂现象，故采用归零校正对实测数据进行处理。
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2 加速度传感器校准
2.1 引言
随着微机电系统的快速发展，弹体侵彻的过载测量普遍采用弹载加速度传感器来完成。对于弹体发射、飞行、撞靶与侵彻过程中的加速度信号实时记录可利用弹载加速度传感器完成。加速度传感器校准技术是保证加速度传感器可靠使用的必要技术[33]。加速度计的灵敏度受到校准标定装置与方式的影响，其直接影响着测量精度。加速度计使用的前提是运用校准技术测量量程、冲击情况下的灵敏度、频响等指标。同时，加速度计在实际运用中具有重复性，在不断承受过载的过程中灵敏度容易变化，因此在每次使用前都需要进行校准。目前针对加速度计校准的工作研究多立足于两个方面：一是对冲击激励产生装置进行检验与评估，二是改进现有的校准方法与探索新途径[34-37]。除此之外还可以通过改变系统的输入量以适应特定的某次校准，达到更优的校准效果。可以通过对产生冲击激励装置的几何结构进行优化来完成。加速度的脉冲宽度和峰值是表征冲击脉冲的两个主要参数。对于传感器的静态校准（即灵敏度校准），需要激励脉冲宽度相较于传感器谐振频率足够宽，而动态校准则要求激励脉宽相较于传感器的谐振频率充分地窄。落锤式加速度校准装置因其操作的简便，常被用于加速度计校准中。
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2.2 常见加速度计校准技术
加速度校准装置一般由信号激励源、标准加速度的测量系统、被校加速度数据的收集装置等组成。主要原理是运用被校加速度计测量特定的加速度激励，再与通过激光干涉仪或标准加速度计等方式测得的加速度信号进行比较，从而获得被测传感器的相关参数指标。根据获取标准加速度不同的方式可将校准方法分成绝对法、比较法、相对法。绝对法即激光干涉法，是直接利用激光干涉仪测量装有被测加速度计物体的多普勒偏移信号，通过光频的多普勒变化来获得运动体速度的变化情况，它只由基本的时间量与长度计量来复现实际的冲击加速度量值，不需要对校准过程作任何假设[36]。因此绝对法的准确度高。比较法根据测量数据的不同有直接比较和替代比较两种方式。直接比较法是通过将标准加速度计与被校加速度计同时测量同一冲击激励的值进行比较，从而得到被校加速度计的相关参数，其误差来源主要是标准加速度计的精度。替代比较法则是适用于不能运用直接比较法的情况，其准确度较高，主要思想是根据理论公式的计算得到标准加速度值来确定被测加速度计的灵敏度。相对法主要分为冲击力法与压缩波法，前者通过牛顿定律计算得到用于校准的加速度参考量，后者利用了弹性理论条件下杆自由端的速度与中部应变成正比的关系来校验。根据加速度激励源的不同可将其分为两类。一类是利用振动标准装置产生单频正弦作为输入信号，采用这种方式可以产生频率范围较宽的加速度激励，因而可以校验较宽频率范围、较大幅值的加速度计特性。另一类则是在冲击标准装置上进行的，利用冲击加速度标准装置产生机械冲击作为输入信号，根据各种不同的冲击装置可获得不同波形、幅值及上升沿的加速度激励。常见的冲击标准装置有落锤式、Hopkinson 杆等等。冲击标准装置是校准传感器幅值线性特性的最为合适的方法[37]。
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3 冲击载荷下分段式弹体的结构响应特性研究 ......15
3.1 引言 ......15
3.2 模拟概况.......16
3.2.1 几何模型 ....16
3.2.2 材料模型 ....17
3.3 模拟数据分析 .......18
3.4 本章小结 ...........32
4 分段式弹体侵彻纸靶数值模拟研究.....34
4.1 引言 ......34
4.2 模拟概况.......34
4.2.1 几何模型 ....34
4.2.2 材料模型 ....37
4.3 模拟数据分析 .......41
4.4 本章小结.......49
5 实测加速度信号处理............51
5.1 引言 ......51
5.2 侵彻过载实测数据的滤波方法 .....51
5.3 小波分析在过载信号分析中的运用......53
5.4 本章小结.......66
5 实测加速度信号处理
5.1 引言
弹体在侵彻中的运动情况对研制高性能的侵彻武器具有重要价值。为了确保弹体侵彻到最合适的位置才发生爆炸，以达到对目标的最佳毁伤效果需要准确获取弹体的位移-时间曲线。同时，只有了解侵彻过程弹体所受到的过载，才能研制出能够承受该过载的战斗部与引信装置。在撞击目标攻击物时，将弹体要受到靶体对其冲击力，这一较大的冲击力将会产生高过载作用在弹体上。根据牛顿运动定律确定的过载叫做刚体过载，它与弹体的结构和力学性能无关。弹体内任意位置处获得的过载都是由两大部分组成：一是刚体过载；另外，则是与弹体结构的力学性能有关的结构响应过载。因此，弹体侵彻与撞击时受到的冲击力载荷大小的标准量度是刚体过载，而并非弹体质心或是其他位置测得的过载信号。刚体过载也决定了弹体在动载荷情况下的运动特性(速度-时间历程、侵彻深度-时间历程)，是动能侵彻弹和钻地弹设计的重要参数。同时，刚体过载也是设计弹体和引信结构的参考条件和依据。但如何从加速度计的实测信号中获取刚体加速度信号，现在还没有统一的定论。弹体结构响应引起的加速度以高频成分为主，并且以震荡的形式耦合到刚体过载上。为从实测过载信号中得到刚体过载信号，目前常用的方法是利用低通滤波的方法。其关键在于选择合适的截止频率，既要除去信号中的频率较高的结构响应，又要保证尽可能保存刚体过载中的高频部分。图 4-5 是一条完整的从膛内发射到自由飞行再到撞击混凝土过程的曲线[54]，图中注明使用截止频率为 3 kHz的低通模拟滤波器对整个过程的加速度进行滤波，认为截止频率 3 kHz 是弹体结构的基频，以最低频率进行滤波可得到弹体作为刚体运动时的加速度情况。文[7]以 2 kHz 作为截止频率对弹体侵彻整体靶和多层靶时在弹体前、后端获得的原始加速度-时间曲线进行了低通滤波，但文中并未指出选择截止频率的理论依据。
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结论
本文主要通过 ABAQUS 有限元分析软件对分段式弹体侵彻纸靶的实验过程进行了仿真，通过对加速度计标定、分段式弹体的发射、分段式弹体侵彻纸靶以及对动载荷下的加速度信号的分析这四大模块对进行了综合分析，为后期的实验研究提供了参考，得出了如下规律与结论：
（1）落锤冲激励装置中落锤的几何形状对加速度校正系统输入量有影响，发现落锤冲击装置产生的加速度峰值与落锤厚度呈现出三次函数的关系，而落锤厚度变化对加速度的脉冲宽度影响甚微；而落锤冲击装置产生的加速度峰值与落锤碰撞面半径呈现出三次函数的关系，且加速度脉冲宽度会随碰撞面半径的增大而变小，也论证了落锤释放高度的变化对加速度的脉冲宽度影响较小。
（2）在冲击载荷的作用下，弹体中不同内腔中节点的应变分布规律是相似的，并且内外表面对应位置应变在每个内腔中都呈现出在越远离碰撞面的位置越接近的规律；不同冲击载荷下，弹体平均加速度的峰值、脉冲宽度与撞击速度分别呈线性增大及二次函数递减规律；发现在远离碰撞端的内腔中内表面应变与加速度之间的呈现出很大的线性关系，猜测其是由于弹体结构的特殊性引起的。
（3）给出了利用实验数据来描述纸靶材料特性的方法；结合靶板的破坏变形情况，确定本文可选用 Recht-Ipson 公式来计算固定靶厚的弹靶系统的弹道极限；通过节点过载与靶体变形情况的综合分析，发现节点加速度情况与靶板的变形情况是相关联的；以低速侵彻纸靶时，根据节点加速度信号与平均加速度信号进行分析认为节点信号中弹体结构响应占绝大部分比例；通过不同靶厚与不同侵彻速度的分析，得到侵彻越厚的靶板节点的加速度峰值越大，而在小范围内的侵彻速度改变对加速度幅值无较大影响，但加速度持续振荡的时间将随速度的增加而降低。
（4）通过对动载荷作用下的加速度频域分析可知，平均加速度值作为弹体刚体加速度时，也不可避免地掺杂了高频干扰，将其经过高频置零再重构得到的信号更能代表弹体刚体加速度；参照 10/t1选取的截止频率的低通滤波对在冲击载荷作用下获得刚体过载是有效的，而对于节点过载信号与平均过载频域重合度很大的侵彻纸靶的情况，低通滤波不再适合。
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参考文献（略）