界面冲击载荷传递机制的实验与数值研究

为何弹体内部的冲击很重要

当强化弹头撞击混凝土或岩石时，剧烈作用并不局限于表面。强烈的冲击波会在弹体的金属壳体和内部部件中传播，其中包括决定何时引爆的小而关键的引信。如果对这些内部冲击的理解有误，引信可能过早、过晚或根本不会触发。本研究探讨了冲击力如何通过弹头不同部件之间的接头传递，并展示了工程师如何更准确地预测那些隐蔽载荷，从而有助于使现代穿透弹药既更有效又更可靠。

冲击的隐蔽旅程

随着弹体速度的提高和目标结构的复杂化，穿透过程中的力变得更强、更复杂。碰撞瞬间出现的短促但强烈的冲击之后，随着弹体在目标内部减速，惯性力也会显著发挥作用。这些力包含宽带频率成分，并不会简单地沿金属直线传播。相反，它们在每一道机械接头处——如螺纹连接、法兰和螺栓——发生反射、散射并部分被吸收。连接远非完全刚性，其微观粗糙度和材料差异会显著改写最终到达敏感部件（例如加速度计）的冲击信号。

用可控锤击探测力的传播

为了观察这些内部力的真实行为，研究人员构建了一个缩小比例的弹头模型，由弹尖、中体和尾部组成，通过螺栓连接形成两处关键界面。他们用专门的冲击锤和数据采集系统敲击模型前端，同时在多个位置安装应变片记录应力随时间的变化。通过以逐渐增大的锤击重复测试三次，他们观察到应力波如何穿过每一道界面。每个传感器记录到的峰值应力大致与输入力成比例增长，表明系统表现出线性特征，但当波穿过螺纹接头时，应力振幅明显减小。有意思的是，第一个主要应力波的尖锐度（即脉冲宽度）在各段间变化很小，提示这些界面主要是降低振幅，而不是在时间上拉长脉冲。

用简单模型模拟复杂结构

作者并没有在三维中模拟每一条螺纹，这在计算上代价极高，而是将弹头—引信组件等效为多质量、多弹簧系统。在这种表述下，弹体和引信的不同部件被看作集总质量，通过等效刚度和阻尼相连以代表实际接头。借助 MATLAB 中的系统辨识工具，他们把每个界面的测得输入和输出应力历时输入到估计传递函数的数学程序中。所得模型由固定数量的极点和零点组成，能够以通常高于0.75、最高达0.92的决定系数重现测得的应力曲线，表明这一简化表示捕捉了大部分真实行为。

用精细模拟验证模型

为了检验这些紧凑传递模型在实验锤击之外是否仍然成立，团队构建了弹头的精细有限元模拟。他们简化了细小的几何细节但保留了主要形状和连接，并采用先进的材料模型来处理弹尖的塑性变形。在对不同撞击速度进行模拟时，他们将数值预测的界面处应力历时与通过辨识的传递函数预测的应力进行了比较。尽管完整波形在点对点上并不完全一致，但关键工程特征——例如首次压缩和拉伸波的峰值与脉冲宽度、以及最强频率峰——在约15%的误差范围内达成一致。这样的精度达到了弹性-塑性响应模型的常见设计标准。

对更安全、更智能引信的意义

对非专业读者而言，核心信息是作者已将一个混乱且难以预测的内部冲击环境化整为简，归纳为一组可管理的简单模型。他们的工作展示了如何将有针对性的实验与数值模拟结合起来，描述冲击力在到达引信前如何被弹体内部接头滤波和削弱。通过能够可靠预测峰值载荷和脉冲宽度的传递模型，设计者可以更好地调整引信阈值和结构，降低误触发风险并提高穿透武器的效能，而无需模拟每一个微观细节。

引用: Hao, JC., Cui, SK., Ma, GS. et al. Experimental and numerical study on interfacial impact load transfer mechanism. Sci Rep 16, 5282 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36273-z

关键词: 冲击载荷传递, 弹头引信, 应力波, 有限元模拟, 系统辨识