測(cè)試裝置重量對(duì)身管直線(xiàn)度測(cè)量精度影響分析

宋珊珊，李劍峰，孫杰，馮忠彬

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東省黃河計(jì)量研究院，山東 濟(jì)南 250100)

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測(cè)試裝置重量對(duì)身管直線(xiàn)度測(cè)量精度影響分析

宋珊珊1，李劍峰1，孫杰1，馮忠彬2

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東省黃河計(jì)量研究院，山東 濟(jì)南 250100)

摘要：隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料身管直線(xiàn)度測(cè)量成為亟待解決的工藝難題，傳統(tǒng)用于鋼管直線(xiàn)度測(cè)量的裝置將會(huì)引起較大的復(fù)合材料身管直線(xiàn)度測(cè)量誤差，為此，應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)處于不同載荷、不同支撐條件下的復(fù)合材料身管變形進(jìn)行分析，建立復(fù)合材料身管三維有限元模型，分析得到不等重的測(cè)試裝置在身管不同支撐條件下引起的復(fù)合材料身管變形量大小，設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的正確性。結(jié)果表明測(cè)試裝置自重及身管不同支撐條件對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度測(cè)量精度產(chǎn)生重要影響，因此可以通過(guò)改變身管的支撐條件來(lái)降低測(cè)試裝置自重的影響。采用數(shù)據(jù)擬合得到身管變形量和測(cè)試裝置重量之間的關(guān)系，為復(fù)合材料身管直線(xiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料身管；變形量；測(cè)試裝置重量；有限元法

0引言

常規(guī)材料的火炮身管如鋼質(zhì)身管，因自重大、機(jī)動(dòng)性能差，且資源消耗大，不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，制約著其在現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用。為減少身管的自身重量和自重彎曲對(duì)機(jī)動(dòng)性能與使用精度的影響，從上世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)復(fù)合材料在火炮身管上的應(yīng)用開(kāi)展研究，利用復(fù)合材料高強(qiáng)度、低密度及一定的耐高溫等優(yōu)勢(shì)，將常規(guī)的金屬材料用復(fù)合材料代替。然而，復(fù)合材料彈性模量小、材料成型工藝相對(duì)復(fù)雜，工藝過(guò)程中易造成軸線(xiàn)彎曲變形，使發(fā)射路徑發(fā)生改變，造成射擊不準(zhǔn)確，為有效保障武器射擊的準(zhǔn)確度，必須對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度進(jìn)行高精度測(cè)量。

早期用于檢測(cè)彎曲度的方法有量規(guī)檢驗(yàn)法、杠桿法、指示器法和光軸法等[1-2]，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的直線(xiàn)度測(cè)量方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要，研制直線(xiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)火炮身管直線(xiàn)度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)已成為發(fā)展方向。上世紀(jì)80年代初，美國(guó)和德國(guó)就開(kāi)始研究用于火炮身管質(zhì)量的光電檢測(cè)設(shè)備[3]，采用傳統(tǒng)的光學(xué)準(zhǔn)直儀和沿炮管移動(dòng)的定心靶檢測(cè)身管直線(xiàn)度。國(guó)內(nèi)孫長(zhǎng)庫(kù)等[4]應(yīng)用激光線(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)無(wú)縫鋼管進(jìn)行光切，求出光切面中心的空間坐標(biāo)，通過(guò)空間直線(xiàn)擬合和誤差評(píng)定算法，確定鋼管軸線(xiàn)的直線(xiàn)度；王伯平[5]提出了一種基于遺傳算法的計(jì)算直線(xiàn)度誤差的新方法，該方法滿(mǎn)足最小條件原理并采用與最小包容區(qū)域法等效的理想包容參考直線(xiàn)計(jì)算直線(xiàn)度誤差；白寶興等[6]設(shè)計(jì)了一種火炮身管直線(xiàn)度無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)器、炮膛爬行器、激光器和準(zhǔn)直儀組成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)；馬宏等[7]采用激光準(zhǔn)直和光電探測(cè)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)檢測(cè)方法無(wú)損檢測(cè)火炮身管內(nèi)膛的直線(xiàn)度誤差。吉林大學(xué)、四川大學(xué)、浙江大學(xué)的學(xué)者[8-10]都先后設(shè)計(jì)了獨(dú)具特色的身管軸線(xiàn)直線(xiàn)度檢測(cè)設(shè)備。

上述無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試裝置自重對(duì)金屬身管測(cè)試精度不會(huì)產(chǎn)生影響，然而，對(duì)復(fù)合材料身管將產(chǎn)生較大影響。復(fù)合材料身管變形問(wèn)題也得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的重視，軍械工程學(xué)院趙金輝等[11]應(yīng)用有限元方法建立火炮身管自重彎曲模型和實(shí)體模型，求解出身管在重力作用下的彎曲變形量；何忠波等[12-13]利用ANSYS建立太陽(yáng)照射下身管上下表面溫差有限元模型，求解出身管溫度場(chǎng)，得出用溫度載荷代替輻射載荷求解彎曲度的結(jié)論，進(jìn)而計(jì)算出不同溫度、溫差下的身管彎曲度，同時(shí)仿真分析火炮發(fā)射時(shí)膛內(nèi)熱交換，得出發(fā)射后身管溫度場(chǎng)，考慮身管自重及熱作用影響，進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析，求出身管發(fā)射后不同時(shí)刻的彎曲量。

現(xiàn)有針對(duì)復(fù)合材料身管的研究大都只關(guān)注身管直線(xiàn)度檢測(cè)方法、檢測(cè)原理、檢測(cè)裝置研制及檢測(cè)誤差分析，尚缺乏測(cè)試裝置自重對(duì)測(cè)試誤差影響的系統(tǒng)研究，針對(duì)這一現(xiàn)狀，擬采用有限元法仿真分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究不同重量、不同身管支撐位置對(duì)復(fù)合材料身管彎曲變形的影響，進(jìn)而擬合相應(yīng)數(shù)學(xué)公式，為特定測(cè)試精度要求的復(fù)合材料身管測(cè)試裝置重量控制提供支持。

1重量對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度影響仿真建模

1.1　復(fù)合材料身管有限元模型

進(jìn)行有限元分析時(shí)，將身管幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化局部細(xì)節(jié)，對(duì)于金屬材料身管，為降低計(jì)算費(fèi)用，在進(jìn)行靜態(tài)有限元分析時(shí)簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)模型，對(duì)于復(fù)合材料身管，身管并不是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，本文采用三維實(shí)體單元建立復(fù)合材料身管的有限元模型，如圖1所示，身管長(zhǎng)度3~5 m，直徑110~120 mm，壁厚2~5 mm。材料屬性如表1所示。

圖1　身管有限元模型

彈性模/GPa泊松比密度(kg·m-3)20~300.251900

1.2　網(wǎng)格劃分

對(duì)復(fù)合材料身管進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用的單元類(lèi)型是四結(jié)點(diǎn)線(xiàn)性四面體單元C3D4，單元總數(shù)為125038，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為39828，當(dāng)測(cè)試裝置在驅(qū)動(dòng)裝置作用下運(yùn)動(dòng)到復(fù)合材料身管中間部位時(shí)，其自身重量對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度造成的影響最為嚴(yán)重，為準(zhǔn)確得到變形數(shù)值，對(duì)復(fù)合材料身管中間部位的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2　有限元模型網(wǎng)格劃分

1.3　載荷與邊界條件

復(fù)合材料身管有四個(gè)定位臺(tái)，通過(guò)這四個(gè)定位臺(tái)可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料身管的定位支撐。有限元分析中對(duì)身管兩端定位臺(tái)進(jìn)行定位，約束其X，Y方向自由度，在身管內(nèi)部分別施加30，50，70，90 N的體力載荷模擬測(cè)試裝置重量，改變載荷的施加部位表示測(cè)試裝置在復(fù)合材料身管內(nèi)移動(dòng)，載荷與邊界條件的施加如圖3所示。

圖3　載荷與邊界條件(兩端)

1.4　仿真結(jié)果

應(yīng)用ABAQUS進(jìn)行有限元分析計(jì)算，其中30 N載荷仿真結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果云圖中可以明顯看出，當(dāng)測(cè)試裝置位于身管中間部位時(shí)其自重對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度精度影響最為嚴(yán)重。由30，50，70，90 N不等重、不同移動(dòng)位置的測(cè)試裝置自重所引起的身管中間部分變形量如圖5所示，各重量的測(cè)試裝置在整個(gè)身管的移動(dòng)過(guò)程中所引起的復(fù)合材料身管最大變形量如圖6所示。

圖4　30 N載荷身管變形結(jié)果

從圖6中看出隨著測(cè)試裝置在復(fù)合材料身管內(nèi)逐漸移動(dòng)，身管中間部位的變形量逐漸增大，測(cè)試裝置移動(dòng)至身管中間部位時(shí)的變形量達(dá)到最大值，隨著測(cè)試裝置逐漸遠(yuǎn)離身管中部，自重對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度精度影響程度逐漸減小。

圖5　身管中部變形-兩端定位仿真

圖6　身管最大變形-兩端定位仿真

從圖6可以看出不等重的測(cè)試裝置自重對(duì)復(fù)合材料身管變形影響有很大區(qū)別，這將直接影響復(fù)合材料身管直線(xiàn)度測(cè)量精度，在進(jìn)行復(fù)合材料身管直線(xiàn)度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)時(shí)要遵循輕量化原則，減小測(cè)試裝置重量，并對(duì)測(cè)試裝置重量自重引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

2有限元模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用V型定位塊對(duì)圖3所示的身管兩端定位臺(tái)進(jìn)行定位，分別將不同質(zhì)量的圓柱體置于復(fù)合材料身管內(nèi)部不同部位，用千分表對(duì)身管中間部位變形量進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同移動(dòng)位置的測(cè)試裝置自重引起的復(fù)合材料身管中部變形量與有限元分析變形量對(duì)比結(jié)果如圖7所示，圖7中，實(shí)線(xiàn)為仿真結(jié)果，與其靠近的虛線(xiàn)為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不等重的測(cè)試裝置自重引起的復(fù)合材料身管最大變形量實(shí)驗(yàn)與有限元對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖7　身管中部變形實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比(兩端)

圖8　身管最大變形實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比(兩端)

從圖7、圖8中看出實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果基本一致，身管中間部位的變形量隨著測(cè)試裝置在身管內(nèi)的移動(dòng)逐漸增大至最大值后逐漸減小，當(dāng)測(cè)試裝置處于身管中部時(shí)，其自重對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度精度影響程度最嚴(yán)重。

3不同邊界條件下有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

將邊界條件由圖3兩端定位臺(tái)支撐換成圖9中間兩定位臺(tái)支撐，改變邊界條件，其余保持不變，仿真結(jié)果如圖10，11所示。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)V型定位塊由兩端定位變成中間定位，其余實(shí)驗(yàn)條件相同，得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分別如圖12，13所示。圖12中，實(shí)線(xiàn)為仿真結(jié)果，與其靠近的虛線(xiàn)為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9　身管載荷與邊界條件(中間)

圖10　身管中部變形-中間定位仿真

圖11　身管最大變形-中間定位仿真

圖12　身管中部變形實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比(中間)

圖13　身管最大變形實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比(中間)

通過(guò)變換不同的支撐方式，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試裝置重量相同的情況下不同的身管支撐方式可以明顯改善因測(cè)試裝置自重對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度精度造成的影響，如圖14所示。因此支撐方式能直接影響身管直線(xiàn)度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試裝置的檢測(cè)精度，這為身管直線(xiàn)度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中復(fù)合材料身管定位支撐裝置部分的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖14　兩種支撐方式下的身管變形

4復(fù)合材料身管變形規(guī)律

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與有限元分析相結(jié)合的方式，得到不等重的測(cè)試裝置對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度精度造成的干擾大小，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料身管變形量與測(cè)試裝置重量有明顯關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合得到復(fù)合材料身管兩種支撐方式下變形量與檢測(cè)裝置重量之間的關(guān)系式(1)兩端支撐和(2)中間支撐。擬合曲線(xiàn)圖如圖15所示。擬合公式為

y=0.0028x3-0.5397x2+40.042x-585.38

(1)

y=0.0001x3-0.0263x2+2.6241x-33.661

(2)

圖15　身管變形規(guī)律

5結(jié)論

1)文章通過(guò)建立復(fù)合材料身管有限元模型計(jì)算測(cè)量裝置自重引起的復(fù)合材料身管軸線(xiàn)直線(xiàn)度變形大小，并通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了有限元計(jì)算結(jié)果的正確性，結(jié)果表明測(cè)試裝置自重會(huì)直接影響身管軸線(xiàn)直線(xiàn)度變形大小，從而間接影響復(fù)合材料身管直線(xiàn)度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度。

2)在測(cè)試裝置等重的情況下，身管不同的定位支撐條件對(duì)其軸線(xiàn)直線(xiàn)度變形有改善作用，通過(guò)改變身管的定位支撐條件的方式來(lái)降低測(cè)試裝置自重對(duì)復(fù)合材料身管直線(xiàn)度變形量的影響。

3)通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到的身管軸線(xiàn)直線(xiàn)度變形量與測(cè)試裝置重量之間的關(guān)系，為復(fù)合材料身管直線(xiàn)度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，測(cè)試裝置設(shè)計(jì)遵循輕量化原則，根據(jù)關(guān)系式得到測(cè)試裝置自重引起的變形值，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)

[1] 程石，黃平.火炮身管直線(xiàn)度檢測(cè)方法及測(cè)量元件選擇[J] .國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2007(2)：53-55.

[2] JournetB，BazinG，BrasF.Conception of an adaptative laser range finder based on phase shift measurement[C] // Proceedings of IECON.New York：IEEE，1996，2：784-789.

[3] Weck M，SchmidtM.A new method f or deter mining geometric accuracy in the axis of movement of machine tools[J] .Precision engineering，1986，8(2)：97-103.

[4] 孫長(zhǎng)庫(kù)，尤強(qiáng)，盧榮勝，等.無(wú)縫鋼管直線(xiàn)度激光視覺(jué)在線(xiàn)測(cè)量[J] .計(jì)量學(xué)報(bào)，2002，23(3)：174-177.

[5] 王伯平，孫大剛，孔令德，等.基于遺傳算法的直線(xiàn)度誤差的測(cè)量[J] .計(jì)量學(xué)報(bào)，2004，25(1)：16-18.

[6] 白寶興，馬宏.火炮身管內(nèi)膛直線(xiàn)度無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)[J] .長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(2)：37-39.

[7] 馬宏，潘毓學(xué)，車(chē)英，等.炮管直線(xiàn)度激光檢測(cè)設(shè)備研究[J] .兵工學(xué)報(bào)，2003，24(2)：261-263.

[8] 季立江.炮管軸線(xiàn)直線(xiàn)度檢測(cè)儀研究[D] .成都：四川大學(xué)，2003.

[9] 葉挺鋒.火炮身管檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D] .杭州：浙江大學(xué)，2005.

[10] 張誠(chéng)高.火炮身管內(nèi)膛參數(shù)綜合檢測(cè)技術(shù)研究[D] .長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

[11] 趙金輝，何忠波，傅建平，等.基于A(yíng)NSYS的身管自重彎曲的有限元計(jì)算[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，30(6)：64-66.

[12] 何忠波，趙金輝，傅建平，等.火炮身管溫差熱彎曲的仿真與計(jì)算[J] .火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010(1)：34-38.

[13] 趙金輝，何忠波，傅建平，等.火炮發(fā)射過(guò)程中身管溫度場(chǎng)及彎曲度的有限元計(jì)算[J] .火力與指揮控制，2011，36(5)：106-109.

中圖儀器螺紋綜合測(cè)量機(jī)市場(chǎng)傳捷報(bào)

中圖儀器新近推出的螺紋綜合測(cè)量機(jī)在用戶(hù)市場(chǎng)已呈現(xiàn)出火熱反響，在過(guò)去的一個(gè)月里捷報(bào)頻傳，分別中標(biāo)山東省、新疆、廣州、秦皇島、安徽省等計(jì)量院所的螺紋綜合測(cè)量機(jī)項(xiàng)目。

據(jù)介紹，中圖儀器研制的螺紋綜合測(cè)量機(jī)是國(guó)內(nèi)唯一一款高精度、高效率檢測(cè)螺紋量規(guī)全參數(shù)的設(shè)備。性能和精度已媲美歐洲進(jìn)口的同類(lèi)機(jī)型，某些方面甚至優(yōu)于進(jìn)口。

該公司相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：本土儀器在貼合市場(chǎng)需求方面也優(yōu)勢(shì)突出，例如：進(jìn)口設(shè)備內(nèi)含的螺紋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)只有常用的20多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，不包含我國(guó)的國(guó)標(biāo)(GB標(biāo)準(zhǔn))，中圖儀器的數(shù)據(jù)庫(kù)目前已有70多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，還在持續(xù)增加中，預(yù)計(jì)到2015年底，會(huì)突破100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

(孫玉容報(bào)道)

中圖儀器螺紋綜合測(cè)量機(jī)實(shí)驗(yàn)室

Analysis of Test Equipment Weight Impact on Composite Material Barrel Straightness Measurement Accuracy

SONG Shanshan1，LI Jianfeng1，SUN Jie1，F(xiàn)ENG Zhongbin2

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；

2.The Yellow River Institute of Metrology and Research，Jinan 250100，China)

Abstract：With the application of composite materials in the defense industry，the straightness measurement of composite material barrel becomes an technical issue that needs to be solved urgently.Traditional equipment used for steel pipe straightness measurement causes larger errors in composite material barrel straightness measurement.Therefore，finite element analysis software ABAQUS is used to analyze the composite material barrel deformation under different load and different supporting conditions.The three-dimensional finite element model of the composite material barrel is established.The deformation of composite material barrel caused by different weight measuring equipment under different supporting conditions of composite material barrel is obtained.Corresponding test is designed to prove the validity of the finite element analysis results.It is proved that the weight of equipment and the different supporting conditions oif barrel have significant influence on the composite material barrel straightness measurement accuracy.Therefore we can reduce the influence of test equipment weight by changing the different supporting conditions of barrel.The relationship between barrel deformation and test equipment weight is obtained by using the method of data fitting，and it provides theoretical basis for the design of straightness measurement system of composite material barrel.

Key words：composite material barrel；deformation；test equipment weight；finite element method

作者簡(jiǎn)介：宋珊珊(1990-)，女，山東威海人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械系統(tǒng)智能控制與動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)；李劍峰(1963-)，男，山東濟(jì)南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：綠色制造、機(jī)械加工及制造加工過(guò)程中的測(cè)量與控制。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”技術(shù)基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目(GKY201201)

收稿日期：2015-07-03；修回日期：2015-07-08

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33；TB921；TB115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)05-0023-05

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.05