弹体侵彻试验过载测试物理滤波方法研究

Study on physical filtering method for overload measurement in projectile penetration tests

摘要

针对弹体侵彻试验中刚体过载测试易受高频物理干扰的问题，本研究首先对实测过载信号进行解耦，分离出低频刚体过载分量与高频振动干扰分量；其次基于单自由度动力学模型，对弹簧阻尼隔振系统开展理论分析，推导得到不同隔振效率下输入频率与系统固有频率的数学关系，可依据目标隔振效率与输入激励频率，针对性设计低阻尼隔振系统的刚度参数；最后通过侵彻试验过载测试数据验证，该物理滤波方法能够有效抑制振动荷载对刚体过载信号的干扰，成功提取到幅值在（30 000～40 000）g范围内的真实刚体过载信号，提升了过载测量保真度。研究成果可为侵彻战斗部强动载测试系统的设计与优化提供高精度测试理论与技术支撑。

Abstract

Aiming at the problem that rigid-body overload measurement in projectile penetration tests is susceptible to high-frequency physical disturbances，this paper first decouples the measured overload signals to separate the low-frequency rigid-body overload component and the high-frequency vibrational disturbance component. Then，based on a single-degree-of-freedom （SDOF） dynamic model，a theoretical analysis is carried out on the spring-damped vibration isolation system. The mathematical relationship between the input frequency and the natural frequency of the system under different vibration isolation efficiencies is derived，allowing the stiffness parameters of the low-damping vibration isolation system to be designed according to the target vibration isolation efficiency and input excitation frequency. Finally，verification using overload test data from penetration tests shows that the proposed physical filtering method can effectively suppress the interference of vibration loads on rigid-body overload signals，successfully extracting true rigid-body overload signals of （30 000-40 000）g and improving measurement fidelity. The search results can provide high-precision theoretical and technical support for the design and optimization of high-impulse dynamic load measurement systems for penetration warheads.

关键词

侵彻试验 / 过载测试 / 物理滤波 / 隔振

Key words

penetration test / overload measurement / physical filtering / vibration isolation

参考文献

[1] 惠江海, 尚雅玲, 许皓文. 战斗部高速侵彻过载随外形变化规律[J]. 现代防御技术, 2015， 43（5）: 63-69.

[2] HUI Jianghai， SHANG Yaling， XU Haowen. Rule of penetration with high velocity overload changing with the shape of warhead[J]. Modern defence technology, 2015， 43（5）: 63-69（in Chinese）.

[3] 靳鸿, 唐波, 靳书云, 等. 侵彻过载曲线特征参量数值模拟研究[J]. 中国测试, 2015， 41（6）: 125-128.

[4] JIN Hong， TANG Bo， JIN Shuyun， et al. Study on numerical simulation of characteristic parameters of penetration overload curves[J]. China measurement & test, 2015， 41（6）: 125-128（in Chinese）.

[5] 盛涤伦, 杨斌, 李钊鑫, 等. 几种典型起爆药的混凝土侵彻过载[J]. 爆炸与冲击, 2015， 35（1）: 140-144.

[6] SHENG Dilun， YANG Bin， LI Zhaoxin， et al. Penetration overloading to concrete target for several typical primary explosives[J]. Explosion and shock waves, 2015， 35（1）: 140-144（in Chinese）.

[7] 彭永. 弹体侵彻混凝土靶的力学特性研究[D]. 南京: 陆军工程大学， 2018.

[8] 刘伟钊, 李蓉, 牛兰杰, 等. 硬目标侵彻起爆控制技术研究现状及展望[J]. 兵工学报, 2023， 44（6）: 1602-1619.

[9] LIU Weizhao， LI Rong， NIU Lanjie， et al. Research status and prospect of hard-target penetration initiation control technology[J]. Acta armamentarii, 2023， 44（6）: 1602-1619（in Chinese）.

[10] 钟连, 支亚非, 杨莹, 等. 大过载机动下飞机油箱晃动冲击效应的流固耦合分析[J]. 应用力学学报, 2025， 42（1）: 40-53.

[11] ZHONG Lian， ZHI Yafei， YANG Ying， et al. Fluid-structure interaction analysis of sloshing impact effect of aircraft fuel tank under high overload maneuvering[J]. Chinese journal of applied mechanics, 2025， 42（1）: 40-53（in Chinese）.

[12] 杭宇. 发射及侵彻环境下典型弹药过载参数测试方法研究[D]. 南京: 南京理工大学， 2022.

[13] 牛明杰. 战斗部侵彻过载参量存储测试系统研究[D]. 南京: 南京理工大学， 2018.

[14] 周强, 贾方秀, 张天宇, 等. 低成本弹载侵彻过载测试系统设计[J]. 兵器装备工程学报, 2018， 39（11）: 54-57.

[15] ZHOU Qiang， JIA Fangxiu， ZHANG Tianyu， et al. Low cost missile-borne penetration overload measurement system[J]. Journal of ordnance equipment engineering, 2018， 39（11）: 54-57（in Chinese）.

[16] 李美亚. 硬目标侵彻引信模拟试验技术研究[D]. 西安: 西安电子科技大学， 2014.

[17] 许冉. 高速侵彻战斗部引信模拟等效性研究[D]. 西安: 西安电子科技大学， 2014.

[18] 张美云, 王敬斌, 王丹, 等. 侵彻多层钢靶板过载测试技术[J]. 兵器装备工程学报, 2016， 37（10）: 114-116.

[19] ZHANG Meiyun， WANG Jingbin， WANG Dan， et al. Overload testing technology of penetrating multi-layer steel target plate[J]. Journal of ordnance equipment engineering, 2016， 37（10）: 114-116（in Chinese）.

[20] 李蓉, 戴黎红, 吴敏忠, 等. 超高速侵彻引信多层目标过载层间粘连机理[J]. 探测与控制学报, 2020， 42（2）: 1-4.

[21] LI Rong， DAI Lihong， WU Minzhong， et al. Multi-level target adhesion mechanism of high-speed penetration fuze overload[J]. Journal of detection & control, 2020， 42（2）: 1-4（in Chinese）.

[22] 徐一源. 弹体低速侵彻过载特性的实验研究[D]. 绵阳: 西南科技大学， 2018.

[23] 张会锁, 罗旭, 张远高. 弹体过载记录仪安装方式对侵彻过载峰值的影响分析[J]. 中北大学学报（自然科学版）, 2014， 35（3）: 252-257.

[24] ZHANG Huisuo， LUO Xu， ZHANG Yuangao. Research on the influence of the missile overload recorder installation style on penetration acceleration peak value[J]. Journal of North University of China（natural science edition）, 2014， 35（3）: 252-257（in Chinese）.

[25] 唐林, 陈刚, 吴昊. 基于总体经验模态分解和连续均方误差的侵彻过载信号分析方法[J]. 高压物理学报, 2018， 32（5）: 126-132.

[26] TANG Lin， CHEN Gang， WU Hao. Penetration deceleration signal processing method with ensemble empirical mode decomposition and consecutive mean square error[J]. Chinese journal of high pressure physics, 2018， 32（5）: 126-132（in Chinese）.

[27] 张晨阳, 张亚, 李世中. 基于变分模态分解的侵彻过载信号盲分离[J]. 振动与冲击, 2022， 41（5）: 280-286.

[28] ZHANG Chenyang， ZHANG Ya， LI Shizhong. Blind separation of penetration overload signals based on VMD[J]. Journal of vibration and shock, 2022， 41（5）: 280-286（in Chinese）.

[29] 张晨阳, 张亚, 李培英, 等. 基于变分模态分解的侵彻过载信号特征提取[J]. 探测与控制学报, 2021， 43（3）: 16-21.

[30] ZHANG Chenyang， ZHANG Ya， LI Peiying， et al. Feature extraction of penetration overload signal based on variational mode decomposition[J]. Journal of detection & control, 2021， 43（3）: 16-21（in Chinese）.

[31] 赵海峰, 张亚, 李世中. 侵彻过载信号的欠定盲源分离与特征提取[J]. 仪器仪表学报, 2019， 40（10）: 208-218.

[32] ZHAO Haifeng， ZHANG Ya， LI Shizhong. Undetermined blind source separation and feature extraction of penetration overload signals[J]. Chinese journal of scientific instrument, 2019， 40（10）: 208-218（in Chinese）.

[33] 卢玉斌, 程永生, 孙远程. 侵彻混凝土类目标过载数据的处理原则研究[J]. 西南科技大学学报, 2015， 30（1）: 75-79.

[34] LU Yubin， CHENG Yongsheng， SUN Yuancheng. Investigation on penetration deceleration signal processing method for penetrating targets of concrete-like materials[J]. Journal of Southwest University of Science and Technology, 2015， 30（1）: 75-79（in Chinese）.

[35] 卢玉斌, 程永生, 孙远程. 影响侵彻过载测量的因素分析[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2014， 12（3）: 471-474.

[36] LU Yubin， CHENG Yongsheng， SUN Yuancheng. Analysis on influencing factors of penetration deceleration measurement[J]. Journal of terahertz science and electronic information technology, 2014， 12（3）: 471-474（in Chinese）.

[37] 赵海峰, 张亚, 李世中, 等. 侵彻弹体频率特性分析及过载信号处理[J]. 中国机械工程, 2015， 26（22）: 3034-3039.

[38] ZHAO Haifeng， ZHANG Ya， LI Shizhong， et al. Frequency characteristics analyses of penetrating missile and penetration overload signal processing[J]. China mechanical engineering, 2015， 26（22）: 3034-3039（in Chinese）.

[39] 马孟新, 牛兰杰, 李蓉, 等. 基于侵彻过载信号应力波补偿的靶后精确起爆控制技术[J]. 探测与控制学报, 2022， 44（5）: 31-38.

[40] MA Mengxin， NIU Lanjie， LI Rong， et al. Post-penetration precision detonation control based on acceleration signal stress wave compensation[J]. Journal of detection & control, 2022， 44（5）: 31-38（in Chinese）.

[41] 郑宏亮, 贾森清, 郭宇朋, 等. 基于DnCNN的侵彻过载时频去噪方法[J]. 装备环境工程, 2024， 21（8）: 17-24.

[42] ZHENG Hongliang， JIA Senqing， GUO Yupeng， et al. Time-frequency denoising method for penetration overload signals based on denoising convolutional neural network（DnCNN）[J]. Equipment environmental engineering, 2024， 21（8）: 17-24（in Chinese）.

[43] 谢雨岑, 郜王鑫, 邵志豪, 等. 侵彻过载信号自适应变分模态分解时频分析方法[J]. 探测与控制学报, 2024， 46（4）: 69-78.

[44] XIE Yucen， GAO Wangxin， SHAO Zhihao， et al. Penetration overload signal time frequency analysis method based on adaptive OVMD[J]. Journal of detection & control, 2024， 46（4）: 69-78（in Chinese）.

[45] 陈柏翰, 赵生伟, 邹慧辉, 等. 侵彻弹体过载信号特性与处理技术研究进展[J]. 兵工学报, 2024， 45（9）: 2906-2928.

[46] CHEN Baihan， ZHAO Shengwei， ZOU Huihui， et al. Research progress of overload signal characteristics and processing technologies of penetrating projectile[J]. Acta armamentarii, 2024， 45（9）: 2906-2928（in Chinese）.

[47] 宋雨兮, 牛少华, 魏飞, 等. 基于InterpoMAE-WGAN框架侵彻过载信号时间序列生成方法[J/OL]. 探测与控制学报. （2026-01-29）[2026-03-04]. https://link.cnki.net/urlid/61.1316.tj.20260128.1511.002.

[48] SONG Yuxi， NIU Shaohua， WEI Fei， et al. A time series generation method for penetration overload signals based on the InterpoMAE-WGAN framework[J/OL]. Journal of detection & control. （2026-01-29）[2026-03-04]. https://link.cnki.net/urlid/61.1316.tj.20260128.1511.002（in Chinese）.

[49] 王渊彬, 石云波, 赵锐, 等. 基于SENLA-GAN 2D生成对抗网络扩增下弹体侵彻过载曲线预测[J]. 兵器装备工程学报, 2025， 46（12）: 155-163.

[50] WANG Yuanbin， SHI Yunbo， ZHAO Rui， et al. Prediction of projectile penetration overload curves based on SENLA-GAN for 2D generative adversarial network augmentation[J]. Journal of ordnance equipment engineering, 2025， 46（12）: 155-163（in Chinese）.

[51] 李蓉, 施坤林, 牛兰杰, 等. 侵彻引信过载特征等效低成本考核方法[J]. 探测与控制学报, 2023， 45（1）: 17-21.

[52] LI Rong， SHI Kunlin， NIU Lanjie， et al. Penetration fuze overload feature equivalence evaluation method[J]. Journal of detection & control, 2023， 45（1）: 17-21（in Chinese）.

[53] 王成龙, 吴鲁杰, 葛兴福. 国内面向冲击工况的磁流变缓冲技术发展与展望[J]. 应用力学学报, 2023， 40（3）: 481-503.

[54] WANG Chenglong， WU Lujie， GE Xingfu. Development and prospect of domestic magnetorheological buffer technology for impact conditions[J]. Chinese journal of applied mechanics, 2023， 40（3）: 481-503（in Chinese）.

基金资助

目标易损性评估全国重点实验室自主开放基金资助项目(YSX2024ZZYS001)