Page 124 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 陈柏翰，等： 侵彻弹体的拉压模态与振动特性 第 9 期

the projectile, the weaker the coupling relationship between the projectile and the charge. However, the applicability of this
conclusion in harsh load environments still needs to be explored. The low-order tensile-compressive modes dominate the
vibration characteristics of the penetrating projectile, and the deformation and overload distribution are mostly affected by the
first-order tensile-compressive mode, while the high-order modes supplement the vibration of the projectile. Benefiting from
the variable cross-section effect, projectiles with short and concentrated inner cavities have better anti-vibration characteristics
during ideal penetration. Projectile’s vibration characteristics obtained through modal analysis provides more reliable guidance
for the design of the projectile-fuse-charge system.
Keywords: hard target penetration; projectile structural response; modal analysis; vibration characteristics; damping

侵彻弹体在打击地下坚固目标和建筑物中发挥了重要作用。近年来，随着侵彻速度的提高，弹体振
动引发的问题日益突出，典型问题如引信过载信号混杂而无法精准起爆 以及侵彻振动环境诱导下装药
[1]
[2]
被提前引燃 等，最终导致弹体的毁伤效果受限。因此，研究弹体在侵彻过程中的振动特性具有重要意义。
在弹体过载信号的相关研究中，孙桂娟等 [3] 指出，侵彻弹体振动以及传感器连接结构振动构成了弹
体过载信号中的高频成分，并导致信号幅值失真。王世虎 [4] 针对过载信号的弹体振动成分开展研究，在
理论推导中将弹体简化为细长等截面杆，并对弹体进行试验和仿真模态分析，揭示了过载信号的弹体振
动成分中一阶拉压模态特征频率的主导特性。目前，对过载信号进行处理时常用低通滤波法，其核心即为
将弹体一阶拉压模态的特征频率作为低通滤波截止频率，从而滤去弹体振动信号以及更高频的成分 [5-9] 。
此外，也存在若干利用弹体结构振动对过载信号进行反演、预测的工作。为尽可能准确估计弹体关键截
面的过载幅值，徐文峥等 [10] 利用等截面杆模型分析了弹体模态，并给出了其受均布冲击载荷时的过载分
布。卢玉斌等 [11] 总结了多种弹体过载特性模型，发现准确的弹体结构振动信号构建是预测过载信号的
关键。王成华等 [12] 在斜侵彻场景中将弹体视为均质梁，利用模态分解方法补偿了弹体过载信号。Yan 等 [13]
考虑几何缩比下弹体过载信号的变化，通过重构并滤去过载的弹体结构振动信号实现了缩比下刚体减
速度的一致性。马孟新等 [14] 和 Yu 等 [15] 利用应力波补偿方法将弹体振动从过载信号中剔除，从而提高
了弹体侵彻多层靶时碰靶和出靶等目标特征的识别率。因此，对过载信号的准确处理要求对弹体结构
振动特性的准确把握，而对弹体的模态分析是研究的关键。
在装药安定性的相关研究中，王宁 [16] 和李彦超 [17] 通过试验和仿真发现装药受到弹体结构振动的影
响，其中后部出现了明显的拉压交替作用，并与弹体的径向变形耦合。张萌昭等 [18] 对侵彻多层板过程中
装药的损伤开展了试验和仿真研究，发现不同部位装药的受力环境差异较大，且损伤由振动诱发，而非
冲击载荷直接引起。因此，众多研究聚焦于在弹体内添加缓冲结构，通过隔振减小装药损伤 [19-22] 。此外，
也存在若干关于装药结构响应的机理研究。周霖等 [23] 基于单自由度受迫振动模型构建了装药的瞬态响应
计算方法，并总结了抗过载判据。梁君等 [2, 24] 将侵彻环境简化为隔板-间隙结构，并通过施加类侵彻阻力的
外载研究了装药的结构响应，发现装药结构具有非线性振动特性，且在较低幅值的振动载荷下产生局部变
形放大，从而诱发不安定。后续通过仿真和振动台试验复现了装药的局部变形放大现象 ，并在侵彻试验
[25]
中进一步验证了该结论 [26] 。仲苏洋等 [27] 和何杨等 [28] 设计了多脉冲加载下考核装药非线性放大效应的实
验和理论方法，发现载荷加载频率与装药固有频率接近是引起局部变形放大的主要原因。因此，弹体结
构振动特性是装药安定性评估的关键输入，而弹体-装药的接触关系以及模态耦合是研究的关键。
本文将继承上述研究中对弹体结构振动的研究方法，并着重于证实理论、试验和仿真模态方法的统
一性。在以往等截面杆模型的基础上，尝试利用变截面杆模型更精准地描述弹体模态和振动特性，进一
步通过试验和仿真模态分析探究内腔结构以及装药对弹体振动特性的影响，最后推导侵彻弹体的振动
变形、应力和过载分布特性，以期为弹引系统和装药结构的设计提供参考。

1 模态分析理论

正侵彻时，弹体受对称侵彻阻力，其结构响应形式以拉压为主，可用杆模型加以描述。以往研究常

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