一种基于侵彻引信冲量等效的缩比试验方法

本发明涉及弹体侵彻，特别是一种基于侵彻引信冲量等效的缩比试验设计方法。

背景技术：

1、现代化战争中，重要军事目标不断加强的防护措施对侵彻弹药的毁伤能力、作战模式提出了更高的要求。硬目标侵彻引信作为侵彻弹药的核心，在侵彻过程中承担起爆控制任务的同时也面临着严酷动态力学环境的考验，因此针对硬目标侵彻引信的考核便显得尤为重要。但全尺寸靶场侵彻试验成本高昂，试验周期较长，往往难以直接用全尺寸战斗部进行足量靶场动态试验，因此等效缩比试验便成为考核引信生存能力、功能完备性和战技指标满足情况的重要方法。

2、目前基于相似理论建立等效模型，即对弹靶模型进行量纲分析后所给出的无量纲函数形式设计缩比模型，代替原型弹进行相关测试试验，使得引信的过载环境过于严酷，过载峰值往往数倍于实际工况，缩比试验无法达到“等效”，直接影响引信起爆控制策略、零部件强度考核结果。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术难题，结合剩余速度模型及量纲分析，提出了基于冲量等效的缩比试验方法，并结合具体侵彻试验进行数值仿真验证，为高价值弹药侵彻缩比试验提供可行方案。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于侵彻引信冲量等效的缩比试验方法，包括如下步骤：

4、第一步：根据原型弹的引信尺寸、公斤级以及数值仿真结果，选择合适的缩比弹；

5、

6、第二步：根据量纲分析确定靶厚、靶板强度；

7、第三步：将参数代入chen模型中求得弹体初速，确定缩比方案；

8、作为上述技术方案的进一步改进：侵彻弹药在侵彻靶标过程中，弹体与靶标相互作用时间极短，但冲击力却极大，而且冲击力在这短暂的时间内变化十分剧烈，引信作为内部部件，其感受的冲击力更是经过弹引结构响应等因素被放大数倍，其结构损伤也主要是由受到的冲击力与时间的累计效应，即引信受到的冲量造成。战斗部侵彻过程中，引信感受到的冲量计算如下：

9、

10、因此进行缩比试验设计时，无需了解每一时刻的力和速度，只要了解力在作用时间内的积累作用和它产生的效果，即使缩比弹与全尺寸弹在侵彻靶标过程中，弹体内的引信感受到的冲量相近，以达到侵彻环境等效。缩比弹侵彻实际靶标过程中引信受到总冲量为im(m0,a0,t0)，与全尺寸弹侵彻等效试验靶标过程中试验引信受到总冲量ip(m1,a1,t1)应基本相当，即

11、im/ip≈1

12、同时也应对缩比弹过载峰值作出要求，若缩比弹过载峰值过大，则对引信可靠性考核太过严苛，使其结构强度等方面出现问题的可能性大大增加，从而导致错误结论，因此缩比弹侵彻过载峰值am与全尺寸弹侵彻过载峰值ap的比值应控制在合理范围内，即

13、am/ap≈1.0～1.5

14、作为上述技术方案的进一步改进：选定缩比弹时应结合原型试验相关参数综合考虑，如侵彻弹在不同工况下对弹体材料特性要求不同，缩比弹应与原型弹材料近似相同，以保证弹体在侵彻过程中不发生开裂、断折等工程性问题。该缩比方法对大尺寸战斗部在复杂工况下的原型试验适用。

15、作为上述技术方案的进一步改进：直接选择合适的制式弹作为缩比弹，不再对缩比弹进行重新设计，无需考虑修改弹体参数后弹体质量、质心位置改变的问题。引信在缩比前后保持全尺寸不变，缩比弹引信的过载峰值与脉宽更加准确，引信可靠性的考核结果更加可信。

16、作为上述技术方案的进一步改进：chen等提出了“前开坑区-隧道区-剪切冲塞区”三阶段模型，并在此基础上考虑靶板中钢筋对弹体侵彻的影响，将配筋率ρs和钢筋单轴抗拉伸强度fs定义为一个新的无量纲钢筋数θ，并与冲击函数i、弹体几何函数n、混凝土靶板无量纲厚度χ三个无量纲数，共同控制刚性弹体正侵钢筋混凝土靶的全过程，组成了贯穿钢筋混凝土靶板的解析模型。其中无量纲钢筋数θ和混凝土靶板无量纲厚度χ可表示为

17、

18、χ＝h/d

19、式中：ρs为混凝土配筋率，fs为钢筋单轴抗拉强度，fc为混凝土抗压强度，α为混凝土靶厚弹坑锥斜角，一般取60°，h为混凝土靶厚，d为弹体直径。

20、则混凝土靶无量纲临界靶厚为

21、

22、式中：s为混凝土无限侧抗压强度fc相关的经验常数，即k为无量纲开坑深度，即k＝0.707+h/d，h为弹体头部长度。

23、弹体刚好贯穿靶板时的锥形塞块的厚度hbl为

24、

25、极限穿透速度可表示为

26、

27、则剩余速度可表示为

28、vr＝v0-vbl χ≤χc

29、

30、作为上述技术方案的进一步改进：借助chen模型，可以给出其剩余速度的表达式为

31、vr＝f(d,m,σt,h,v)

32、上式中并未将影响剩余速度的弹体参数全部列出，因本文直接选取制式弹作为缩比弹，只代入一到两个参数进行分析，其余参数影响在量纲分析后带入剩余速度公式详细计算。

33、上式中6个变量，包含1个因变量和5个自变量，变量量纲幂次指数如下表所示

34、表1变量的量纲幂指次数

35、

36、该问题涉及的基本量纲有三个，选取弹体质量m、弹体直径d和初始入射速度v为参考物理量，对上表进行排序，可以得到表2。

37、表2变量的量纲幂指次数(排序后)

38、

39、对上表进行行变换，即可得到表3。

40、表3变量的量纲幂指次数(行变换后)

41、

42、根据π定理和量纲分析的性质，可以给出3个无量纲量：

43、

44、因此，剩余速度可写成无量纲函数表达式：

45、

46、设缩比试验与原型试验中弹的直径之比为

47、

48、若满足

49、

50、则必有

51、(vr)m＝(vr)p

52、即缩比试验与原型试验中穿靶后剩余速度相同，该问题的相似律为

53、

54、若缩比模型与原型弹中靶板材料相同，则有

55、γσt＝1

56、此时缩比模型与原型满足相似的相似律简化为

57、

58、上式表明，当缩比模型与原型中弹靶材料相同或相似时，若缩比模型中靶厚、弹体质量、弹速与原型中对应一致，则缩比模型与原型满足相似条件。但是质量缩比条件γm＝γ3条件无法严格满足，同时量纲分析时忽略了部分参数影响，严格按照量纲分析设计缩比试验误差较大，需要在后续结合剩余速度模型对参数进行调整。

59、作为上述技术方案的进一步改进：经原型弹数值仿真后可根据等效原则与量纲分析结果选择合适制式弹作为缩比弹，但由于量纲分析得到的质量缩比系数在大多数情况无法严格满足，且在分析时忽略了部分参数，如弹体头部系数等也会对弹体剩余速度造成影响，因此得到的缩比律并不精确，存在一定误差。

60、此时可将靶厚或初速作为因变量，将其他确定的参数与原型试验仿真结果中弹体速度降代入剩余速度模型(chen模型)中精确计算。若将靶厚作为因变量，即初速按照量纲分析结果进行缩比，则面临缩比弹过载幅值较大，脉宽较小的情况，等效性较差，所以考虑将初速作为因变量，靶厚按照量纲分析结果进行缩比，代入chen模型求出对应初速，可控制误差在较小范围内。

61、求得所有缩比参数后进行数值仿真验证，若仿真结果符合冲量等效原则，则可进行靶场动态试验进一步验证；若误差较大，则可根据仿真情况，建立仿真对比模型，对弹体初速与靶厚等参数进行优化，减小误差，直至符合缩比原则，确定等效试验方案。

62、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

63、(1)基于相似理论建立传统等效模型的方法，即对弹靶模型进行比例缩小后代替原型弹进行相关试验测试，只适合考核弹体侵彻性能，直接应用于引信将导致引信的过载环境过于严酷，过载峰值往往数倍于实际工况，缩比试验无法达到“等效”。本发明结合量纲分析和chen模型，能够在误差允许的范围内实现引信在侵彻过程中感受冲量的等效。

64、(2)本发明可直接选择合适的制式弹作为缩比弹，不再进行重新设计，而是重新确定着靶速度与靶标参数，无需考虑修改弹体参数后弹体质量、质心位置等是否满足试验平台对飞行姿态控制等整体性能要求，缩比试验平台选择较大，可大幅降低全尺寸弹的试验成本，提高试验可靠性。

65、(3)本发明提出的基于侵彻引信冲量等效的缩比试验方法，引信在缩比前后保持全尺寸不变，使得缩比弹引信的过载峰值与脉宽更加准确，引信可靠性的考核结果也更加可信。

66、(4)本发明公开的基于侵彻引信冲量等效的缩比试验方法具有普适性，不仅仅适用于下文的实施例，对于其他公斤级的战斗部缩比试验同样适用。

67、(5)应用本发明公开的缩比试验方法设计的缩比试验，不但能够完成考核引信及其内部零部件强度的任务，同时还因为其对引信在侵彻过程中感受冲量的出色等效能力，使得试验能够完成对起爆控制策略等的验证。