彈底過載存儲(chǔ)記錄儀*

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)彈道問題時(shí)必須通過試驗(yàn)獲取最根本最直接的膛內(nèi)過載特性和規(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)過載問題顯得尤為重要。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。但目前還存在采樣頻率低、體積大、抗沖擊能力弱的問題。

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)射過程中，彈丸在膛內(nèi)及出炮口時(shí)會(huì)承受幾萬個(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)生一定的過載，膠皮受壓縮變形，整個(gè)壓縮過程都在彈簧的線性彈性范圍內(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)的編碼依次寫入FIFO。MCU通過判斷FIFO和Flash的工作狀態(tài)來選擇讀取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。由圖可知，彈丸在擠進(jìn)過程中存在10000g的振蕩過程，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)了一種能抗高頻過載的微小型彈底過載存儲(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

[1]胡功笠，劉榮忠，齊愛東.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]錢立志.彈載任務(wù)設(shè)備抗高過載方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2007，28(8):1017 －1020.

[6]聞利群，魯建霞，張同來.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.