弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究_孙亚杰.pdf

数据采集与处理测控技术2023 年第 42 卷第 7 期收稿日期:2022 12 17基金项目:武器装备预先研究项目(9090101020201)引用格式:孙亚杰，梁轲，马孟新，等 弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究 J 测控技术，2023，42(7):95 101SUN Y J，LIANG K，MA M X，et al Target Identification Method of Fuze Layer for Projectile Penetrating Multilayer Concrete Tar-get Plate J Measurement Control Technology，2023，42(7):95 101弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究孙亚杰，梁轲，马孟新，牛兰杰(西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)摘要:为解决侵彻多层混凝土靶板过载层间粘连影响引信计层精度的问题，提出了弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法。首先通过模态分析得到弹体一阶轴向固有频率;然后完成不同工况的侵彻动力学仿真，得到过载信号主频与弹体一阶轴向固有频率差距在 8%以内这一特性;并提出一种层目标识别方法，对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载;再根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载进行识别，识别当前层数;最后通过多个算例得到该方法的适用范围，即着角不大于 10、侵彻初速度为 400 900 m/s、靶板层数在 15 层以下。关键词:侵彻引信;层目标识别;自适应阈值;过载信号主频;固有频率中图分类号:TJ43文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)07 0095 07doi:10 19708/j ckjs 2023 07 014Target Identification Method of Fuze Layer for ProjectilePenetrating Multilayer Concrete Target PlateSUN Yajie，LIANG Ke，MA Mengxin，NIU Lanjie(Xi an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi an 710065，China)Abstract:To solve the problem that the overload signal layer adhesion affecting the precision of the fuze meterlayer when the projectile penetrating multilayer concrete target，a method of target identification of the fuze lay-er for projectile penetrating multilayer concrete target plate is proposed Firstly，the first-order axial natural fre-quency of the projectile body is obtained by modal analysis The penetration dynamics simulation under differ-ent working conditions is completed，and the property that the difference between the main frequency of over-load signal and the first order axial natural frequency of the missile is less than 8%is obtained A layer targetrecognition method is proposed，by low-pass filtering the overload signal，approximate rigid body overload is ob-tained According to the adaptive layer detection threshold and overload duration，the approximate rigid body o-verload signal is identified and the current layer number is identified Finally，the application range of themethod is obtained by several examples，the angle is less than 10 degrees，the initial penetration velocity is400 900 m/s，and the number of layers of the target plate is less than 15Key words:penetration fuse;layer target recognition;adaptive threshold;master frequency of overload signal;natural frequency战斗部侵彻多层混凝土靶板过程中，引信要从加速度信号中获取目标的层数信息，从而控制战斗部在预定层起爆。在现代战争中，各国对地下指挥中心、机库等高价值目标的防护越来越复杂、坚固，迫使侵彻弹59药速度不断提高，以达到高效毁伤。但随着侵彻速度的提高，弹体侵彻多层混凝土靶板的过载信号会出现粘连，这对引信的计层识别能力提出了更高的要求。侵彻过载信号主要由 3 部分组成:刚体过载、应力波振荡形成的弹体结构响应、测试系统的振动和噪声1 2。文献 3 文献 5 对过载信号进行频谱分析，认为过载信号主频与弹体轴向固有频率接近，但没有深入研究不同工况对过载信号主频的影响。文献 6文献 12提出对过载信号进行低通滤波、小波分解等，可以消除侵彻过载的层间粘连，但没有研究滤波截止频率选取的依据。另外，传统使用固定阈值的层目标识别方法也难以满足引信的发展要求。本文提出弹体侵彻多层混凝土靶板的层目标识别方法:首先对过载信号进行低通滤波得到近似刚体过载;然后根据自适应判层阈值、信号脉宽对近似刚体过载信号进行识别，识别当前层数。1弹体模态分析1 1一维圆杆轴向振动特性弹体垂直侵彻时，弹靶作用力会激发出弹体的多种振动模态，使得弹体剧烈振动，主要以轴向振动为主。由应力波传播理论可知，一维圆杆轴向振动的固有频率为13 fi=iC2L(1)式中:i 为固有频率的阶数;C 为一维圆杆中弹性纵波波速;L 为一维圆杆长度。1 2弹体模态分析采用有限元软件对弹体进行模态分析，弹长 980mm，弹径 180 mm，材料为 38CrMnSiA，主要材料参数14 16 如表1 所示。采用 Ansys Workbench 建立弹体的有限元模型，如图 1 所示。表 138CrMnSiA 材料参数/g cm3E/GpaABCN7852110013 30 511 860 003 40232图 1弹体模态分析有限元模型在不加约束的情况下，对弹体进行模态分析，得到前两阶轴向固有频率 f1=3 027 Hz，f2=5 901 Hz，振型如图 2 所示。图 2(a)为弹体的第一阶轴向振型，呈现明显的轴向压缩变形，弹头及弹尾变形最为严重，是弹体侵彻过程中的主要受力方向，对测试信号做主要贡献;由图 2(b)第二阶轴向振型可以看出，弹头明显变粗，弹长变化很小，对测试信号影响不大，同样，其他高阶频率成分对测试信号影响较小。图 2弹体轴向振型表 2 为将弹体相关参数代入式(1)计算得到的轴向固有频率与模态分析得到的轴向固有频率对比，可以发现两者前两阶的固有频率差距均在 10%以上。这是因为式(1)在计算时，将真实弹体简化为理想的一维圆杆，没有考虑弹头卵形部等复杂结构。所以本文后续研究采用模态分析得到的固有频率。表 2式(1)计算结果与模态分析结果对比固有频率阶数式(1)计算结果/Hz模态分析/Hz相对误差/%一阶2 6453 027126二阶5 2905 9011042不同侵彻工况下过载信号主频特性分析2 1弹体正侵彻两层靶板的动力学仿真分析在侵彻动力学仿真中作如下假设:弹体和靶板均为密实连续性介质;侵彻过程中不考虑温度效应，不考虑空气阻力。弹体、引信材料均为 38CrMnSiA，靶板为 C40 素混凝土，材料参数14 16 如表 3 所示。弹体侵彻初速度 V69测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期=800 m/s。2 层靶板靶面尺寸均为 2 000 mm 2 000mm，2 层靶板厚度分别为 D1=180 mm，D2=180 mm，靶板间隔 2 000 mm。采用 ANSYS/LS-DYNA 软件仿真，得到最终时刻靶板破坏图如图 3 所示。表 3C40 混凝土材料参数/g cm3G/GPaABCN24414860791 60 007061图 3最终时刻靶板破坏图提取全弹、引信体过载信号如图 4 所示。可以看到全弹过载信号能分辨出 2 个明显的包络，分别为弹头卵形部侵彻第 1 层、第 2 层靶板所引起的刚体过载。进行层目标识别的关键就在于得到类似全弹刚体过载的曲线。对引信体过载信号进行频谱分析如图 5 所示，发现过载信号主频为 2 845 Hz，与模态分析得到的固有频率 3 027 Hz 接近。由于侵彻速度和阻力会降低弹体的振动频率，因此过载信号主频比弹体一阶轴向固有频率 f1小。而引信体的过载信号 2 层之间粘连明显的原因是，弹体在靶间行进过程中，侵彻第 1 层靶板的应力波还没有衰减完，就与侵彻第 2 层所产生的应力波和刚体过载产生叠加，导致层间过载粘连。针对这种严重粘连的过载信号无法直接进行层目标识别。图 6 为 V=500 m/s 时侵彻两层靶板仿真得到的引信体过载。对比图 4 与图 6，可发现随着弹体侵彻初速度的提高，过载信号会出现粘连现象。图 4全弹、引信体过载(V=800 m/s)图 5引信体过载信号频谱图(V=800 m/s)图 6引信体过载(V=500 m/s)2 2不同侵彻工况下过载信号主频特性分析为研究过载信号主频的特性，保持其他条件一致，进行不同工况下的弹体正侵彻两层靶板动力学仿真，提取引信体过载信号，并对其进行频谱分析，得到不同侵彻初速度、不同靶板强度、不同靶板厚度下引信体过载主频与固有频率 f1的对比情况如表 4 表 6 所示。表4不同侵彻初速度下引信体过载信号主频与固有频率f1对比初速度/ms1主频/Hz与 f1相对误差/%7002 807738002 845609002 838621 0002 79278表 5不同靶板强度下引信体过载信号主频与固有频率 f1对比靶板强度主频/Hz与 f1相对误差/%C302 8316 5C402 8386 2C502 8306 5表 6不同靶板厚度下引信体过载信号主频与固有频率 f1对比两层靶板厚度/mm主频/Hz与 f1相对误差/%180+1802 83862300+1802 84460420+1802 8017579弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究通过以上算例可知，侵彻过载信号主频有如下特性:该主频对侵彻初速度、靶板强度、靶板厚度不敏感;该主频与弹体轴向固有频率 f1差距在 8%以内。3弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法研究31弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法基于过载信号主频特性，本文提出的弹体侵彻多层混凝土靶板的引信层目标识别方法流程图如图 7 所示。基本参数说明:每 层 判 层 参 数 Qn取 值 范 围 45%，90%，上 1 层权重系数 x 取值范围 0，1，每层靶厚 Dn，第 1 层侵彻初速度 V1，其余每层近似