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(dòng)控制技術(shù)研究所 太原 030006）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)殺爆戰(zhàn)斗部爆破瞬間產(chǎn)生的各類(lèi)殺傷元性能參數(shù)的深入研究，對(duì)破片速度及中靶坐標(biāo)的高精度測(cè)量及多路破片中靶數(shù)據(jù)信號(hào)采集存儲(chǔ)技術(shù)提出了更高要求［1～6］。其中針對(duì)破片速度測(cè)試，當(dāng)前主要利用定距測(cè)時(shí)原理的接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量方法。其中非接觸式測(cè)量主流方法包括光電靶測(cè)速法［7～8］、聲靶測(cè)速法［9～13］和多普勒測(cè)速法［14～18］，其測(cè)試數(shù)據(jù)易受到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的影響，如戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波、瞬時(shí)高壓、瞬態(tài)高溫等；系統(tǒng)防護(hù)困難，成本較高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)破片中靶坐標(biāo)的測(cè)試，接觸式測(cè)量法包括鋁箔靶、銅絲網(wǎng)靶和梳狀靶，成本低，安裝操作簡(jiǎn)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(cè)量法存在以下不足：傳統(tǒng)接觸式測(cè)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(duì)破片的動(dòng)能衰減大且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)破片中靶位置測(cè)試。因此本研究在傳統(tǒng)梳狀靶［19～21］基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)可完成各類(lèi)惡劣環(huán)境下對(duì)破片中靶速度和中靶坐標(biāo)的測(cè)試。

2 測(cè)試原理

針對(duì)破片著靶速度及中靶坐標(biāo)測(cè)試，提出了新型梳狀靶測(cè)速測(cè)坐標(biāo)方法。本系統(tǒng)主要包括：新型梳狀靶測(cè)試信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、多路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等四部分。首先破片穿過(guò)新型梳狀靶產(chǎn)生模擬信號(hào)，并經(jīng)FPGA 處理轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)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(hào)，F(xiàn)PGA 對(duì)各路變化電壓信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。破片經(jīng)過(guò)新型梳狀啟動(dòng)靶與終止靶的時(shí)間信號(hào)分別由FPGA記錄為t1，t2，已知靶距為L(zhǎng)。上位機(jī)根據(jù)v=L/（t2-t1）即可計(jì)算中靶速度。

當(dāng)破片經(jīng)過(guò)新型梳狀啟動(dòng)靶時(shí)，F(xiàn)PGA 通過(guò)對(duì)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(guò)新型梳狀終止靶時(shí)，F(xiàn)PGA 記錄中靶通道為Y（Y=1-15）；每個(gè)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(duì)所測(cè)破片速度造成衰減情況嚴(yán)重等問(wèn)題，本研究在傳統(tǒng)梳狀靶線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)梳狀靶材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)，并基于Autodyn 軟件對(duì)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(guò)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(duì)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(hào)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(dòng)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(duì)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(shí)發(fā)生纖維斷裂和基體開(kāi)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(shí)，新型梳狀測(cè)試傳感器發(fā)生纖維斷裂失效。

基體開(kāi)裂失效準(zhǔn)測(cè)：

當(dāng)Fmatrix＞1 時(shí)，新型梳狀測(cè)試傳感器發(fā)生基體開(kāi)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(jì)算與分析

為探究各類(lèi)新型材質(zhì)襯底對(duì)破片過(guò)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(dòng)模型，其中破片直徑為7mm，新型梳狀靶尺寸為2.5mm（寬）×20mm（長(zhǎng)）×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(shí)襯底的最大變形長(zhǎng)度、最大開(kāi)花口徑以及對(duì)破片動(dòng)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?jiǎng)討B(tài)仿真如圖4～圖7所示。

圖4 7mm球形破片侵徹PET材質(zhì)過(guò)程

圖5 7mm球形破片侵徹PI材質(zhì)過(guò)程

圖6 7mm球形破片侵徹PC材質(zhì)過(guò)程

圖7 7mm球形破片侵徹覆銅板材質(zhì)過(guò)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(duì)比靶面最大開(kāi)花口徑、靶面最大變形長(zhǎng)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(shí)，引起靶面材質(zhì)開(kāi)花口徑為8.62mm，PET 為四類(lèi)靶面材質(zhì)中靶面開(kāi)花口徑最小，破片位置測(cè)試精度最高的靶面材質(zhì)；在破片以1500m/s 侵徹PET 材質(zhì)時(shí)，引起靶面材質(zhì)最大變形長(zhǎng)度為2.57mm，PET 為四類(lèi)靶面材質(zhì)中靶面最大變形長(zhǎng)度最小，破片速度測(cè)試精度最高靶面材質(zhì)；在破片以1500m/s 侵徹PET 材質(zhì)時(shí)，靶面材質(zhì)對(duì)破片速度損失為8.3m/s，PET 為四類(lèi)靶面材質(zhì)中靶面材質(zhì)對(duì)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(lèi)靶面材質(zhì)的相關(guān)開(kāi)花口徑、最大變形長(zhǎng)度以及對(duì)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(yàn)驗(yàn)證

基于上述理論設(shè)計(jì)，搭建新型梳狀靶破片參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先進(jìn)行彈道槍破片射擊試驗(yàn)，共射擊破片4 發(fā)。試驗(yàn)過(guò)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(cè)試結(jié)果偏差，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示，測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 激光光幕靶與速度傳感器比對(duì)結(jié)果匯總

圖11 彈道槍破片射擊測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

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

圖12 靶場(chǎng)破片測(cè)速試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(cè)試結(jié)果。根據(jù)炸點(diǎn)到測(cè)試系統(tǒng)的距離，可求出兩過(guò)靶破片的平均速度。

表4 破片數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

圖13 上位機(jī)軟件顯示中靶時(shí)間與中靶通道圖

圖14 上位機(jī)軟件顯示中靶時(shí)間與中靶通道圖

通過(guò)彈道槍破片射擊環(huán)境與惡劣環(huán)境下靜爆測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)比彈道槍破片射擊環(huán)境下本系統(tǒng)破片測(cè)速結(jié)果與激光靶破片測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)梳狀靶測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率高、可滿(mǎn)足在惡劣環(huán)境下破片中靶速度、中靶坐標(biāo)的參數(shù)測(cè)試；其中系統(tǒng)測(cè)速精度誤差小于1%、中靶坐標(biāo)區(qū)域靶寬為50mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)基于Autodyn靶材優(yōu)化技術(shù)選取并設(shè)計(jì)了最佳適應(yīng)于爆破場(chǎng)環(huán)境下的新型梳狀靶面?zhèn)鞲衅鳎啻瓮瓿赏鈭?chǎng)惡劣環(huán)境下破片參數(shù)測(cè)試任務(wù)。以其韌性好，質(zhì)量輕且可完成對(duì)多破片中靶速度和中靶坐標(biāo)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，目前可應(yīng)用于人體靶標(biāo)中。可分別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(cè)試靶面即可測(cè)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(chǎng)人員目標(biāo)破片殺傷參數(shù)的測(cè)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(píng)估傳感器，可對(duì)日后爆破場(chǎng)中大規(guī)模人員目標(biāo)毀傷評(píng)估提供新的技術(shù)支持。