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        彈底過(guò)載存儲(chǔ)記錄儀*

        2012-12-10 05:14:24尤文斌丁永紅張晉業(yè)

        尤文斌,丁永紅,祖 靜 ,張晉業(yè)

        (1電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 0 30051;2中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,太原 0 30051;3晉西集團(tuán)技術(shù)中心,太原 0 30027)

        0 引言

        火炮發(fā)射的復(fù)雜性決定了研究?jī)?nèi)彈道問(wèn)題時(shí)必須通過(guò)試驗(yàn)獲取最根本最直接的膛內(nèi)過(guò)載特性和規(guī)律[1],隨著以高膛壓、高初速和高裝填密度為特征的高性能火炮技術(shù)的發(fā)展,火炮發(fā)射時(shí)的膛內(nèi)過(guò)載問(wèn)題顯得尤為重要。中大口徑火炮膛內(nèi)參數(shù)測(cè)量,具有測(cè)試環(huán)境惡劣條件不易控制等特點(diǎn),一直以來(lái)是內(nèi)彈道測(cè)試的難點(diǎn)[2]。當(dāng)前采用的方法主要為存儲(chǔ)式電測(cè)法[3],該方法將裝置安裝在彈丸底部記錄加速度時(shí)間曲線(xiàn)。但目前還存在采樣頻率低、體積大、抗沖擊能力弱的問(wèn)題。

        記錄儀中電路模塊的抗沖擊能力是測(cè)試能否成功的關(guān)鍵。當(dāng)前采用泡沫鋁、橡膠等材料作為整個(gè)裝置的緩沖材料應(yīng)用于高沖擊侵徹測(cè)試中[4-5],但火炮膛內(nèi)測(cè)試中由于高溫、高壓、高沖擊、狹小空間不適合對(duì)采用記錄儀整體緩沖。為此,提出在記錄儀內(nèi)部電路模塊與外殼之間采用橡膠作為電路模塊的緩沖材料,設(shè)計(jì)了一種能抗高過(guò)載微小型存儲(chǔ)測(cè)試儀。

        1 緩沖力學(xué)模型及仿真

        火炮發(fā)射過(guò)程中,彈丸在膛內(nèi)及出炮口時(shí)會(huì)承受幾萬(wàn)個(gè)重力加速度的沖擊。沖擊應(yīng)力波會(huì)使測(cè)試裝置受壓變形,灌封后的電路會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂,從而導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程的失敗。緩沖的目的就是為了將沖擊脈沖展寬,從而使幅值降低。

        1.1 緩沖模型

        假設(shè)電路模塊的質(zhì)量為m,并以V0的速度撞擊剛性板,從而產(chǎn)生一定的過(guò)載,膠皮受壓縮變形,整個(gè)壓縮過(guò)程都在彈簧的線(xiàn)性彈性范圍內(nèi),則由能量守恒定理及虎克定理可求得電路模塊所受到最大位移Xm及最大加速度am。

        由公式可知:1)在彈性系數(shù)和初速不變的情況下,最大位移量與成正比,最大加速度與成反比。2)在空間有限的條件下Xm有限,微型化測(cè)試裝置可以降低對(duì)緩沖材料的要求。

        1.2 力學(xué)模型ANSYS仿真

        橡膠是一種廣泛用于隔離振動(dòng)和吸收沖擊的緩沖材料。它具有小彈性模量、高彈性和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)特性。它的剪切彈性模量G一般為1MPa左右,而體積彈性模量K為103MPa左右[6]。

        橡膠采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料參數(shù)為:密度 ρ=1.12g/cm3,泊松比 v=0.27,楊氏模量E=1.04GPa,厚度L=4mm。記錄儀電路模塊質(zhì)量為38g,電路采用環(huán)氧樹(shù)脂灌封。

        采用ANSYS建立的電路殼體緩沖的模型如圖1所示。電路模塊外殼采用橡膠包裹,記錄儀外殼簡(jiǎn)化為剛性板,最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖中S58的網(wǎng)格處。將電路殼體以一定速度撞擊剛性板,得到無(wú)膠皮緩沖的應(yīng)力云如圖2所示,應(yīng)力峰值達(dá)到80MPa;得到具有膠皮緩沖的應(yīng)力云如圖3所示,應(yīng)力峰值僅達(dá)到0.12MPa。

        圖1 仿真模型

        仿真表明,采用膠皮能有效減小加速度沖擊對(duì)電路外殼的應(yīng)力,能滿(mǎn)足電路在膛內(nèi)和出炮口時(shí)的加速度沖擊的緩沖要求。

        2 記錄儀組成與實(shí)現(xiàn)

        2.1 系統(tǒng)組成

        記錄儀的原理如圖4所示,由傳感器、適配電路、A/D變換器、CPLD+MCU控制單元、FIFO+Flash存儲(chǔ)單元、USB讀數(shù)口、電源組成。

        2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        圖5 為記錄儀結(jié)構(gòu)圖。加速度傳感器與外殼采用還氧樹(shù)脂灌封,形成剛性連接。

        加速度傳感器選用上海微系統(tǒng)所生產(chǎn)的壓阻式HG-50k,量程為50000g。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)適配電路調(diào)理后轉(zhuǎn)換成適合A/D變換器的電壓信號(hào)。采樣頻率500kHz,分辨率 12bit,記錄容量4MByte。A/D變換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

        由CPLD編碼生成2個(gè)字節(jié)的編碼依次寫(xiě)入FIFO。MCU通過(guò)判斷FIFO和Flash的工作狀態(tài)來(lái)選擇讀取FIFO和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。

        記錄儀記錄完畢后,計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口讀取存儲(chǔ)記錄的數(shù)據(jù),并完成數(shù)據(jù)處理,以減少電路的體積和功耗。

        圖5 記錄儀結(jié)構(gòu)

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 測(cè)試條件

        將記錄儀安裝在155mm口徑火炮彈丸底部記錄彈丸過(guò)載底部加速度,如圖6所示。在4號(hào)裝藥常溫條件下獲取了測(cè)量數(shù)據(jù)。

        3.2 實(shí)彈測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

        圖6 記錄儀安裝結(jié)構(gòu)

        圖7 為加速度傳感器感應(yīng)彈丸在膛內(nèi)軸向加速度的響應(yīng)曲線(xiàn)。由圖可知,彈丸在擠進(jìn)過(guò)程中存在10000g的振蕩過(guò)程,膛內(nèi)軸向加速度峰值在 10.3ms處為12517g。在18.6ms處峰值出現(xiàn)31000g的劇烈振蕩為彈丸出炮口的響應(yīng)。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)為解決該彈的結(jié)構(gòu)問(wèn)題提供了數(shù)據(jù)保證。

        4 結(jié)論

        利用嵌入式數(shù)據(jù)采集技術(shù),使用單片機(jī)和CPLD作為主控芯片、高速FIFO作為緩存與NAND flash為存儲(chǔ)介質(zhì),以膠皮作為電路模塊的緩沖材料,設(shè)計(jì)了一種能抗高頻過(guò)載的微小型彈底過(guò)載存儲(chǔ)測(cè)試儀。該儀器使用更方便、靈活,為彈底加速度的可靠測(cè)試提供了一種新的測(cè)試儀器。

        圖7 彈軸方向加速度曲線(xiàn)

        [1]胡功笠,劉榮忠,齊愛(ài)東.動(dòng)能彈侵徹鋼筋混凝土靶的試驗(yàn)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2005,25(1):24-26.

        [2]柳斌,肖劍,郭亞龍,等.大口徑火炮彈丸膛內(nèi)參數(shù)測(cè)量方法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(1):167-169.

        [3]沙龍.多層侵徹加速度及彈底壓力測(cè)試研究[D].太原:中北大學(xué),2010.

        [4]徐鵬,祖靜,范錦彪.高g值侵徹加速度測(cè)試及其相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(6):739 -745.

        [5]錢(qián)立志.彈載任務(wù)設(shè)備抗高過(guò)載方法研究[J].兵工學(xué)報(bào),2007,28(8):1017 -1020.

        [6]聞利群,魯建霞,張同來(lái).泡沫鋁和橡膠對(duì)測(cè)試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(3):223-225.

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