基于Autodyn靶材优化的新型梳状靶破片测试技术_郜凡.pdf

总第345期1引言随着国内外对杀爆战斗部爆破瞬间产生的各类杀伤元性能参数的深入研究，对破片速度及中靶坐标的高精度测量及多路破片中靶数据信号采集存储技术提出了更高要求16。其中针对破片速度测试，当前主要利用定距测时原理的接触式测量和非接触式测量方法。其中非接触式测量主流方法包括光电靶测速法78、声靶测速法913和多普勒测速法1418，其测试数据易受到试验现场恶劣环境的影响，如战斗部爆炸时产生的强冲击波、瞬时高压、瞬态高温等；系统防护困难，成本较高，且无法实现破片中靶坐标的测试，接触式测量法包括铝箔靶、铜丝网靶和梳状靶，成本低，安装操作简单且适合在恶劣环境下大面积铺设。但现有接触式测量法存在以下不足：传统接触式测量法因靶网材质较硬，靶网制作复杂，可扩展性较差、携带困难，对破片的动能衰减大且无法实现对破片中靶位置测试。因此本研究在传统梳状靶1921基础上设计研制了新型梳状靶传感器。新型梳状靶采用银浆印收稿日期：2022年9月8日，修回日期：2022年10月15日基金项目：国家自然科学基金项目（编号：62205307）资助。作者简介：郜凡，男，硕士研究生，研究方向：毁伤评估。颜伟，男，高级工程师，研究方向：图像处理。褚文博，男，博士，讲师，研究方向：光电应用。张斌，男，博士，副教授，研究方向：毁伤评估。赵冬娥，女，博士，教授，研究方向：光学工程。基于Autodyn靶材优化的新型梳状靶破片测试技术郜凡1颜伟2褚文博1张斌1赵冬娥1（1.中北大学信息与通信工程学院太原030051）（2.北方自动控制技术研究所太原030006）摘要针对现有破片参数测试方案中测试结果易受到现场恶劣环境影响且无法有效测试中靶坐标的缺点，开展了基于Autodyn的靶材优化仿真与基于FPGA 采集控制逻辑相结合的研究。设计研制了一种新型梳状传感破片参数测试系统，并进行了弹道枪破片射击及静爆测试试验，试验结果表明该测试系统可实现对破片测试速度最小衰减以及破片中靶坐标精准测试，其中系统测速精度误差小于1%，中靶坐标区域精度为50mm。关键词靶材优化；新型梳状靶；Autodyn侵彻；速度测试；坐标测试中图分类号TJ410DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.033Research on New Flexible Sensing Fragment ParameterMeasurement Technology Based on Autodyn Target OptimizationGAO Fan1YAN Wei2CHU Wenbo1ZHANG Bin1ZHAO Donge1（1.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan030051）（2.North Automatic Control Technology Research Institute，Taiyuan030006）AbstractAiming at the disadvantage that the test results of the existing fragment parameter test schemes are easily affectedby the harsh environment in the field and cannot effectively test the target coordinates，a research is carried out on the combinationof target optimization simulation based on Autodyn and acquisition control based on FPGA.In this study，a new comb shaped sensing fragment parameter testing system is designed，and the ballistic gun fragment shooting and static explosion testing tests are carried out.The test results show that this testing system can achieve the minimum attenuation of fragment testing speed and the accurate measurement of fragment target coordinates.The system speed measurement accuracy error is less than 1%，and the accuracy oftarget coordinate area is 50 mm.Key Wordstarget optimization，flexible film，Autodyn penetration，velocity test，coordinate testClass NumberTJ410舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 345 期2023 年第 3 期Vol.43 No.3156舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期刷作为测量电极，将梳齿状银浆电路印刷至新型梳状靶材基底上，其具有可弯折、携带轻便、便于布设优点的同时可完成各类恶劣环境下对破片中靶速度和中靶坐标的测试。2测试原理针对破片着靶速度及中靶坐标测试，提出了新型梳状靶测速测坐标方法。本系统主要包括：新型梳状靶测试信号调理、数据采集、多路数据存储和数据处理等四部分。首先破片穿过新型梳状靶产生模拟信号，并经FPGA处理转为数字信号，从而实现对多路信号的处理。后由数据处理软件完成破片中靶速度与中靶坐标的处理，系统构成原理图如图1所示。图1系统构成原理图其中新型梳状靶线路基于通断原理，当破片击穿新型梳状靶瞬间，相应中靶位置线路产生电压信号，FPGA对各路变化电压信号进行采集存储。破片经过新型梳状启动靶与终止靶的时间信号分别由FPGA记录为t1，t2，已知靶距为L。上位机根据v=L/（t2-t1）即可计算中靶速度。当破片经过新型梳状启动靶时，FPGA通过对应通道连接线路记录中靶通道为X（X=1-15）当破片经过新型梳状终止靶时，FPGA记录中靶通道为Y（Y=1-15）；每个通道分区靶宽为定值K，则破片中靶坐标为（KX，KY）。FPGA数据处理流程图如图2所示。3Autodyn靶面材质仿真优化为解决传统梳状靶采用覆铜板材质靶面造成的靶面质量大、不便携带且因靶材较硬对所测破片速度造成衰减情况严重等问题，本研究在传统梳状靶线路设计的基础上，对传统梳状靶材质进行了改进，并基于Autodyn软件对所选新型梳状靶面材质进行了仿真优化，进而选取最佳的靶面厚度及靶面材质。3.1破片侵彻新型梳状靶材理论分析新型梳状靶主要由银浆印刷电路和新型材质衬底组成，通过印刷工艺将导电介质印制在新型材质衬底上。新型材质衬底选择范围极为广阔，其中包括聚对聚酰亚胺（PI）、聚碳酸酯（PC）、苯二甲酸乙二醇酯（PET）等新型材质衬底，本文主要选择三种典型的新型材质衬底进行建模分析。破片材料为 4340 号钢材，该材料采用双线性 弹塑性材料模型 MAT-PLASTIC-KINEMATIC，材 料 模 型 得 应 变 率 由 Cowper-Symonds 描 述 为式（1）。图2FPGA数据处理流程图157总第345期d=|0+EEhE-Ehp1+D1 n（1）式（1）中：d为动态屈服强度；0为静态屈服强度；E 为弹性模量，E=205Gpa；Eh为硬化模量，取Eh=335Mpa；p为有效塑性应变；为等效塑性应变率；D、n为常数，对于低碳钢，一般取值令 n=5，D=40。该材料失效模型一般采用最大等效塑应变失效准则。破片材料参数如表1所示。表1破片材料参数材料4340钢/（gcm-3）7.85d/Mpa710E205PET、PI、PC均属于纤维增强复合型材料，其受到的应力应变关系描述为式（2）。|1=1E1(1-v12)2=1E2(2-v21)（2）式（2）中，1、2为材料纵向、横向的拉伸应变；1、2为材料纵向、横向拉伸应力；v1、v2为纵向、横向泊松比；E1、E2为纵向、横向拉伸模量。破片模拟侵彻新型梳状靶传感器时发生纤维断裂和基体开裂，因此材料模型选用chang-chang失效模型准则，具体失效准则描述为式（3）、（4）。1）纤维断裂失效准则：Ffiber=|1S12+（3）当Ffiber1时，新型梳状测试传感器发生纤维断裂失效。基体开裂失效准测：Fmatrix=|2S22+（4）当Fmatrix1时，新型梳状测试传感器发生基体开裂失效。其中破片的d新型梳状靶传感器的Ffiber和Fmatrix，新型梳状靶发生断裂。选用PET为例作为新型材质基底，其参数如表2所示。表2PET新型材质衬底参数1.38Ffiber2.3E132Sc0.36E232Sn1.0v10.010Syz1.0v20.061Sxz1.0注：E1、E2为面内模量；v1、v2为方向泊松比。Sc为剪切强度；Sn为一般拉伸强度；Syz、Sxz为法方向剪切强度。3.2基于AUTODYN有限元建模计算与分析为探究各类新型材质衬底对破片过靶的影响程度，使用Autodyn软件建立破片在不同速度下撞击新型梳状靶的侵彻运动模型，其中破片直径为7mm，新型梳状靶尺寸为2.5mm（宽）20mm（长）60mm（高），新型梳状靶材质优化流程图如图3所示。根据破片侵彻不同新型材质衬底时衬底的最大变形长度、最大开花口径以及对破片动能损失等判据获得最优新型梳状靶衬底基材。图3基于Autodyn新型梳状靶材质优化流程图郜凡等：基于Autodyn靶材优化的新型梳状靶破片测试技术158舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期模拟破片在1500m/s侵彻PET、PI、PC、覆铜板4种新型材质衬底的有限元动态仿真如图4图7所示。破片以不同速度侵彻不同材质衬底的新型梳状靶面后，分析对比靶面最大开花口径、靶面最大变形长度、破片速度衰减情况仿真结果并绘制相关参数曲线如图8图10所示。图47mm球形破片侵彻PET材质过程图57mm球形破片侵彻PI材质过程图67mm球形破片侵彻PC材质过程图77mm球形破片侵彻覆铜板材质过程最大形变长度：2.57mmPET薄膜7mm破片8.62mm最大开花口径Material Summary（Ident 0-0-4）15001498149614941492Ave.X.vel/（m/s）01234510-3Time/ms（1）STEEL 4340（a）破片准备侵彻PET薄膜（b）破片侵彻PET薄膜最大形变长度（c）破片侵彻PET薄膜最大开花口径（d）破片PET薄膜破片速度损失最大形变长度：4.52mmPI薄膜7mm破片9.3mm最大开花口径Material Summary（Ident 0-0-4）150014981496149414921490Ave.X.vel/（m/s）0 1 2 3 4 5 6 7 810-3Time/ms（1）STEEL 4340（a）破片准备侵彻PI薄膜（b）破片侵彻PI薄膜最大形变长度（c）破片侵彻PI薄膜最大开花口径（d）破片PI薄膜破片速度损失最大形变长度：4.42mmPC薄膜7mm破片9.80mm最大开花口径Material Summary（Ident 0-0-6）15001498149614941492149014881486Ave.X.vel/（m/s）0123410-3Time/ms（1）STEEL 4340（a）破片准备侵彻PC薄膜（b）破片侵彻PC薄膜最大形变长度（c）破片侵彻PC薄膜最大开花口径（d）破片PC薄膜破片速度损失最大形变长度：5.87mm传统覆铜板7m