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7mm破片9.10mm最大开花口径Material Summary（Ident 0-1500）150014951490148514801475Ave.X.vel/（m/s）0 1 2 3 4 5 6 7 810-3Time/ms（1）STEEL 4340（a）破片准备侵彻传统覆铜板（b）破片侵彻传统覆铜板最大形变长度（c）破片侵彻传统覆铜板最大开花口径（d）破片传统覆铜板破片速度损失159总第345期5001000150020002500破片速度/（m/s）11.010.510.09.59.08.58.07.57.0开花口径/mm5001000150020002500破片速度/（m/s）PC薄膜PI薄膜PEI薄膜覆铜板图8不同材质下破片侵彻靶面开花口径876543210最大变形长度/mm5001000150020002500破片速度/（m/s）PEI薄膜PI薄膜PC薄膜覆铜板图9不同材质破片侵彻薄膜最大变形50403020100速度损失/（m/s）5001000150020002500破片速度/（m/s）PEI薄膜PI薄膜PC薄膜覆铜板图10不同材质破片侵彻薄膜破片速度损失由图可知，在破片以 1500m/s 侵彻 PET 材质时，引起靶面材质开花口径为8.62mm，PET为四类靶面材质中靶面开花口径最小，破片位置测试精度最高的靶面材质；在破片以1500m/s侵彻PET材质时，引起靶面材质最大变形长度为2.57mm，PET为四类靶面材质中靶面最大变形长度最小，破片速度测试精度最高靶面材质；在破片以 1500m/s 侵彻PET材质时，靶面材质对破片速度损失为 8.3m/s，PET为四类靶面材质中靶面材质对破片速度损失最小靶材。并相应仿真了破片在500m/s、1000m/s、1500m/s、2000m/s、2500m/s下四类靶面材质的相关开花口径、最大变形长度以及对破片速度损失情况。仿真结果都突出证明PET作为新型梳状靶面材质的优越性。4试验验证基于上述理论设计，搭建新型梳状靶破片参数测试系统并进行试验验证。首先进行弹道枪破片射击试验，共射击破片4发。试验过程中与激光光幕靶前后紧密布排，比较激光光幕靶（精度为1%）与本系统破片速度测试结果偏差，测试现场如图11所示，测试对比结果如表3所示。激光光幕靶本系统速度传感器本系统速度传感器碎片发射器图11弹道枪破片射击测试现场图表3激光光幕靶与速度传感器比对结果汇总序号1234激光光幕靶/（m/s）889.06672.001114.731228.34速度传感器/（m/s）880.68669.441102.271216.79差值8.382.5610.6511.55测速误差0.89%0.38%0.96%0.94%后进行战斗部静爆试验，图12是某型弹靶场破片测速试验现场布局，在距离炸点12m处布设新型梳状靶破片参数测试系统。图12靶场破片测速试验现场分布图图13、14是数据处理阶段上位机软件显示中靶4发破片波形图，其中波形图横坐标为破片中靶时间和中靶通道；纵坐标为破片中靶电平。表4是4发破片的数据测试结果。根据炸点到测试系统的距离，可求出两过靶破片的平均速度。郜凡等：基于Autodyn靶材优化的新型梳状靶破片测试技术160舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期表4破片数据测试结果序号1234爆心距12121212瞬时速度/（m/s）1509.231540.721847.031772.05坐标X/mm124.4375179215.7坐标Y/mm160.2375124.4215.7通过弹道枪破片射击环境与恶劣环境下静爆测试试验，对比弹道枪破片射击环境下本系统破片测速结果与激光靶破片测速结果，可有效证明采用本论文选取的新型梳状靶传感器测量的数据较传统梳状靶测试结果准确率高、可满足在恶劣环境下破片中靶速度、中靶坐标的参数测试；其中系统测速精度误差小于1%、中靶坐标区域靶宽为50mm。5结语本研究通过基于Autodyn靶材优化技术选取并设计了最佳适应于爆破场环境下的新型梳状靶面传感器，多次完成外场恶劣环境下破片参数测试任务。以其韧性好，质量轻且可完成对多破片中靶速度和中靶坐标测试等优点，目前可应用于人体靶标中。可分别将新型梳状靶面贴附、安装至人体靶标的关键器官部位（包括头部、肺部、心脏、肝脏、胃部、大肠、手部、腿部等）。利用本测试靶面即可测试破片击中人体靶标的位置及速度，从而实现战场人员目标破片杀伤参数的测试。系统下一步研究重点是与人体靶标器官高度吻合的可穿戴式人体器官毁伤评估传感器，可对日后爆破场中大规模人员目标毁伤评估提供新的技术支持。参 考 文 献1刘晓琦.弹丸爆炸破片速度测试系统的设计与应用D.太原：中北大学，2021.2杨文福，陈员义，周祥明，等.多通道弹丸破片测速系统关键技术设计与应用 J.兵器装备工程学报，2020，41（12）：235-239.3徐树茂.破片速度测试技术研究 D.西安：西安工业大学，2018：6-10.4李丽萍.破片战斗部毁伤威力测试关键技术研究 D.图14上位机软件显示中靶时间与中靶通道图图13上位机软件显示中靶时间与中靶通道图中靶通道x1中靶通道x1破片1破片2中靶时间t1中靶通道x26.579735（11）6.564840（4）中靶时间t1上位机启动靶中靶电平上位机终止靶中靶电平上位机启动靶显示中靶破片时间及中靶坐标通道6.676155（5）中靶通道y1中靶时间t2中靶时间t2中靶时间t1中靶通道y1中靶通道y26.688775（11）中靶通道x1破片4破片3中靶时间t1中靶通道x17.365300（7）7.163000（6）中靶时间t1上位机启动靶中靶电平上位机终止靶中靶电平上位机启动靶显示中靶破片时间及中靶坐标通道7.349055（4）中靶通道y1中靶时间t2中靶时间t2中靶时间t2中靶通道y1中靶通道y27.55924（7）上位机终止靶显示中靶破片时间及中靶坐标通道上位机终止靶显示中靶破片时间及中靶坐标通道（下转第192页）161总第345期sisted Particle Filtering for Target Tracking in an Asynchronous Wireless Sensor NetwokC/International Forum on Information Technology&Applications.IEEEComputer Society，2009：363-366.7M.Li，W.Yi，L.Kong.Decentralized batch estimation forasynchronous data fusion in MIMO radar systemsC/2017 20th International Conference on Information Fusion（Fusion）.IEEE，2017：1-6.8Mahmoud M S，Emzir M F.State estimation with asynchronous multi-rate multi-smart sensors J.Information Sciences，2012，196：15-27.9L.Yan，D.Zhou，M.Fu，et al.State estimation for asynchronous multirate multisensor dynamic systems with missing measurementsJ.IET Signal Processing，2010，4（6）：728-739.10Zhang W A，Feng G，Yu L.Multi-rate distributed fusion estimation for sensor networks with packet lossesJ.Automatica，2012，48（9）：2016-2028.11韩崇昭，朱洪艳，段战胜.多源信息融合 M.北京：清华大学出版社，2010：368-370.12Singer R A，Sea R G.A new filter for optimal tracking indense multitarget environmentsC/Annual AllertonConference on Circuit and System Theory，9 th，Monticello，Ill.1971：201-211.13Julier S J，Uhlmann J K.A non-divergent estimation algorithm in the presence of unknown correlations C/Proceedings of the 1997 American Control Conference（Cat.No.97CH36041）.IEEE，1997，4：2369-2373.南京：南京理工大学，2017：2-18.5马春浩.破片速度测量系统校准方法研究 D.南京：南京理工大学，2013：13-21.6陈乐.破片测速与数据采集系统关键技术研究 D.长沙：国防科学技术大学，2010：1-9.7ZHOU Jiajie，KONG Deren.Study on velocity attenuationof spherical tungsten fragments by comb target C/International Conference on Sensors and Instruments，2021：1-13.8倪晋平，王铁岭.光电靶的工作原理及应用 J.西安工业学院学报，1997（01）：36-41.9任孟虎，李静.基于天幕靶与声靶的入靶参数检测及性能分析 J.国外电子测量技术，2021，40（02）：11-15.10HAN Ye，SUN Jiawei，WEI Hong，et al.Ultrasound-Targeted Microbubble Destruction：Modulation in the Tumor Microenvironment and Application in Tumor Immunotherapy J.Frontiers in Immunology，2022.11ZHU Tianhui，HUANG Xiaosheng，PENG Shiming，et al.Ultrasound Targeted Microbubble Destruction Promotesthe Therapeutic Effect of HUMSC Transplantation onGlaucoma-Caused Optic Nerve Injury in RabbitsJ.Translational Vision Science&Technology，2022.12冯斌，石秀华.双三角阵声靶测试系统研究 J.应用声学，2012，31（02）：140-144.13张飞猛，焦军，战延谋.火炮对空射击声靶的信号检测特性和传感器性能分析 J.传感技术学报，2004（03）：501-504.14李文.基于激光多普勒效应的测速系统研究及应用D.南京：南京理工大学，2018：8-11.15李秀明.用于弹丸速度测量的激光多普勒测速技术研究 D.天津：天津大学，2014：6-10.16曹忠义.水下航行器中的声学多普勒测速技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014：2-7.17Jong-woon Choi，Moon-jong Yu，Mirek Kopica，et al.Laser Doppler velocimetry based on the photoacoustic effect in a CO2laser J.Review of Scientific Instruments，2005，76（2）：11-18.18 J.Czarske，O.Dlle.Quadrature demodulation techniqueused in laser Doppler velocimetryJ.Electronics Letters，1998，34（6）：18-20.19李楚.基于梳状靶的爆炸破片分布与速度研究 D.西安：西安工业大学，2022.20Gier，S.，Wagner，C.Visualization of the flow profile inside a thinning filament during capillary breakup of apolymer solution via particle image velocimetry and particle tracking velocimetry J.Physics of Fluids，2012，24（5）：53102.21杨桂红，王广军，龚晏青，等.梳状靶法研究爆轰驱动全预制破片的飞行规律 J.含能材料，2013，21（05）：656-659.（上接第161页）陈洋等：多平台声纳水下目标异步航迹序贯融合方法192