火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試方法

劉小龍 裴東興 李新娥 祗會(huì)強(qiáng)

摘 要：目前火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試都是通過(guò)在膛內(nèi)固定位置安放測(cè)試儀器來(lái)獲得各定點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，由于各測(cè)試裝置的觸發(fā)時(shí)間不一致，獲得的各位置膛壓數(shù)據(jù)相互之間沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，因此該文開(kāi)展火炮膛內(nèi)壓力場(chǎng)分布測(cè)試方法的研究。對(duì)傳統(tǒng)的放入式電子測(cè)壓儀的頂部端蓋結(jié)構(gòu)和觸發(fā)方式進(jìn)行改進(jìn)，以火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)為測(cè)試裝置同步外觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試。通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)測(cè)試儀端蓋進(jìn)行靜態(tài)載荷分析和密閉空間內(nèi)火藥燃燒壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行仿真，為研究火炮膛內(nèi)壓力分布規(guī)律及進(jìn)行多點(diǎn)同步實(shí)測(cè)試驗(yàn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：膛內(nèi)壓力場(chǎng)；放入式電子測(cè)壓儀；ANSYS；同步觸發(fā)測(cè)試儀

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2017）12-0130-05

Abstract： At present， the chamber pressure test aims to obtain the fixed point pressure data by placing test equipment at the fixed position in the chamber. Because the triggering time of each test equipment is inconsistent， the obtained chamber pressure data at all positions have no unified time benchmark， so it is necessary to investigate the test method for pressure field distribution in chamber. Therefore， in this paper， improves the structure and triggering method of the top end cover of the traditional put-in electronic dynamometer is improved and the external trigger signal is synchronized by taking the optical signal generated by the gun firing as test equipment to realize the simultaneous testing of the multiple test equipment in the chamber. The static load analysis for the tester end cover is carried out and the dynamic change of the combustion pressure field of gunpowder in the confined space is simulated via ANSYS simulation software， which also provides technical support for pressure distribution law in chamber and multi-point synchronous measurements and test.

Keywords： bore pressure field； internal electronic pressure gage； ANSYS； synchronous trigger

0 引 言

火炮發(fā)射時(shí)，火藥燃燒瞬間產(chǎn)生大量的高溫燃?xì)?，進(jìn)而在狹小空間內(nèi)形成高動(dòng)態(tài)壓力，即為火炮膛壓[1]。在此過(guò)程中，火炮膛內(nèi)各位置的壓力時(shí)刻在變，綜合發(fā)射過(guò)程每一時(shí)刻膛內(nèi)各位置的壓力數(shù)據(jù)就構(gòu)成了火炮膛內(nèi)壓力場(chǎng)的分布信息?；鹋谔艃?nèi)壓力場(chǎng)分布信息對(duì)火炮發(fā)射技術(shù)研究和裝置性能改進(jìn)有重要意義。例如，引信技術(shù)研究在意的是彈丸彈底壓力信息；發(fā)射技術(shù)研究更關(guān)注彈底壓力與膛底壓力之間的聯(lián)系與差別[2]。目前火炮膛壓測(cè)試方法有3種：銅柱、銅球測(cè)壓法，引線式測(cè)壓法及放入式電測(cè)壓法[3]。銅柱、銅球測(cè)壓法只能獲得膛壓峰值，引線式測(cè)壓法和放入式電測(cè)壓法都可獲得膛內(nèi)固定位置的壓力曲線，但引線式測(cè)壓法對(duì)火炮發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)影響較大，放入式電測(cè)法對(duì)發(fā)射環(huán)境影響小，測(cè)試精度高。由上述可知，要獲得發(fā)射過(guò)程中每一時(shí)刻各位置的壓力數(shù)據(jù)，可用多個(gè)相同的放入式測(cè)試儀安放在膛內(nèi)的關(guān)鍵部位，采用同一外觸發(fā)信號(hào)，來(lái)獲取各測(cè)試位置的壓力信息。

本文提出火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試方法，以火炮膛內(nèi)底火藥燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)為外觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光纖與各測(cè)試儀相連以使多個(gè)測(cè)試儀同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試。

1 膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步觸發(fā)原理

火炮發(fā)射的整個(gè)過(guò)程時(shí)間非常短，普通的放入式電子測(cè)壓儀利用作用于傳感器上火藥氣體壓力值的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置的內(nèi)觸發(fā)，當(dāng)在膛內(nèi)放置多個(gè)測(cè)試裝置時(shí)，由于膛內(nèi)壓力的動(dòng)態(tài)變化，多個(gè)測(cè)試裝置不可能實(shí)現(xiàn)同時(shí)內(nèi)觸發(fā)[4]。由于火藥燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)傳遞至膛內(nèi)任意位置的時(shí)間要比壓力值變化對(duì)應(yīng)時(shí)間短得多，這就為實(shí)現(xiàn)膛內(nèi)多個(gè)測(cè)試儀同步測(cè)試提供一個(gè)新的思路。對(duì)放入式電子測(cè)壓儀的端蓋結(jié)構(gòu)和觸發(fā)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，并通過(guò)光纖傳遞外觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試，同步測(cè)試原理如圖1所示。

2 同步測(cè)試方法合理性分析

現(xiàn)有的放入式電子測(cè)壓儀能準(zhǔn)確測(cè)得火炮膛內(nèi)關(guān)鍵位置的壓力數(shù)據(jù)，同步測(cè)試方法只需考慮多個(gè)同步測(cè)試裝置觸發(fā)階段對(duì)應(yīng)的延時(shí)是否滿足實(shí)際測(cè)試需求?；鹋谔艃?nèi)光信號(hào)以光纖為媒介傳播的時(shí)間為納秒級(jí)；光電轉(zhuǎn)換部分選用的性能較好的光敏元件對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于100 ns；電信號(hào)在PCB電路板上傳播時(shí)間也在100 ns以內(nèi)。電子測(cè)壓儀狀態(tài)轉(zhuǎn)換是在MSP430單片機(jī)控制下進(jìn)行，中斷控制器的時(shí)鐘與測(cè)壓儀主時(shí)鐘同為8 MHz[5]，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間：

tresponse=■×m

其中m為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)，該情況下，m=6，fMCLK=8 MHz，通過(guò)公式可以求得對(duì)應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.75 μs。由以上分析可以得到外觸發(fā)對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲總和小于1 μs，則基于光觸發(fā)同步測(cè)試裝置對(duì)應(yīng)的延時(shí)在微秒級(jí)別。

在火炮膛壓測(cè)試技術(shù)中，膛壓信號(hào)頻帶一般取0～5 kHz，對(duì)應(yīng)的膛壓信號(hào)在毫秒級(jí)別[6]。由上述分析可以得到膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試方法具有合理性。

3 同步觸發(fā)測(cè)試儀設(shè)計(jì)與分析

3.1 同步觸發(fā)測(cè)試儀

單個(gè)同步觸發(fā)測(cè)試儀以放入式電子測(cè)壓儀的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，由殼體傳感器、護(hù)膛環(huán)、電池、非接觸式接口、內(nèi)部電路等組成，并新增加了光窗、光敏元件、光纖等元件。同步觸發(fā)測(cè)試儀外部是由18Ni馬氏體時(shí)效鋼材料制作的高強(qiáng)度保護(hù)殼體[7]，在惡劣環(huán)境下對(duì)內(nèi)部測(cè)試電路起到保護(hù)作用，同時(shí)也是殼體一體化的電容傳感器的一極[8]。同步觸發(fā)測(cè)試儀頂部端蓋嵌入高強(qiáng)度光窗并與光纖連接，光纖由測(cè)試儀的光窗外部延伸至藥筒底部的底火藥處，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

同步觸發(fā)測(cè)試儀工作流程為：火炮膛內(nèi)火藥開(kāi)始燃燒，通過(guò)光纖接收其燃燒產(chǎn)生的光信號(hào)，并傳遞至光窗，測(cè)試儀內(nèi)部光敏元件透過(guò)光窗接收到光信號(hào)，通過(guò)電路的轉(zhuǎn)換及放大處理，將信號(hào)傳遞至處理器，處理器做出相應(yīng)響應(yīng)，開(kāi)始采集存儲(chǔ)膛內(nèi)對(duì)應(yīng)位置的膛壓信息，隨著環(huán)境的惡化光纖將被燒毀（每次測(cè)試各測(cè)試儀都會(huì)安裝新的光纖）。

3.2 測(cè)試儀頂蓋設(shè)計(jì)與仿真

火炮膛內(nèi)惡劣的發(fā)射環(huán)境對(duì)同步觸發(fā)測(cè)試儀含有光窗的頂部端蓋要求非常嚴(yán)格，在保證測(cè)試儀密封性和光窗透光性的條件下，結(jié)合裝置整體尺寸及所選材料等因素，設(shè)計(jì)了圖3所示的測(cè)試儀頂蓋結(jié)構(gòu)。

同步觸發(fā)測(cè)試儀頂蓋由兩種材料構(gòu)成：光窗選用高性能防爆玻璃[9]，其余部分與殼體一起選用18Ni馬氏體時(shí)效鋼材料。兩種材料對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1、表2所示。

由實(shí)測(cè)火炮膛壓數(shù)據(jù)，火炮膛壓峰值應(yīng)小于600 MPa[10]，則同步觸發(fā)測(cè)試儀的測(cè)量范圍選擇0～600 MPa，利用ANSYS仿真軟件對(duì)同步觸發(fā)測(cè)試儀頂部端蓋進(jìn)行仿真，選取在最大壓力600 MPa情況進(jìn)行恒定載荷靜態(tài)分析，端蓋整體在600 MPa時(shí)的應(yīng)力云圖如圖4所示。

可知在測(cè)試儀頂部端蓋螺紋末端的退刀槽位置應(yīng)力達(dá)到最大值1 690 MPa，光窗所受應(yīng)力值為594 MPa。由表1、表2中的參數(shù)可知，18Ni馬氏體時(shí)效鋼材料的屈服極限為2 000 MPa，耐高溫防爆玻璃的抗壓強(qiáng)度為1 150 MPa，在受到600 MPa應(yīng)力時(shí)，兩種材料所受應(yīng)力均在承受范圍之內(nèi)，由此可得在實(shí)際測(cè)試中，測(cè)試儀頂部端蓋將滿足測(cè)試需求。

4 火炮膛內(nèi)壓力場(chǎng)分布仿真與分析

4.1 仿真模型建立

由于火炮藥室和身管都為不規(guī)則結(jié)構(gòu)且發(fā)射環(huán)境復(fù)雜，則只對(duì)彈丸未被擠進(jìn)膛線且膛內(nèi)體積基本不變時(shí)的非自由場(chǎng)火藥燃燒產(chǎn)生的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析。

在彈丸未被壓力擠進(jìn)膛線時(shí)，其對(duì)應(yīng)膛內(nèi)空間建立的模型可等效為規(guī)則圓柱形密閉容器。假設(shè)膛內(nèi)寬為14 cm，長(zhǎng)為20 cm，身管壁厚2 cm，位于容器一端的火藥尺寸為3 cm×3 cm，其模型示意如圖5所示。

仿真過(guò)程中，數(shù)值模擬采用的火藥、空氣、身管等材料及理論公式都通過(guò)調(diào)用軟件中不同的關(guān)鍵字和設(shè)置相關(guān)參數(shù)來(lái)完成。

4.2 仿真結(jié)果分析

所建模型的靜態(tài)分布如圖6所示，取出模型內(nèi)A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)，作為特征點(diǎn)來(lái)觀察各點(diǎn)在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力值的變化。其中A與火藥同端且距離火藥的位置較近，B點(diǎn)位于身管壁中間位置，C點(diǎn)距離火藥最遠(yuǎn)，D、E、F、G均位于模型的中軸線上，D與G與火藥同端且離火藥最近。

設(shè)置對(duì)模型仿真的時(shí)間長(zhǎng)度2 800 μs，25 μs為一個(gè)輸出時(shí)間節(jié)點(diǎn)。則導(dǎo)出數(shù)值模擬仿真的4個(gè)時(shí)刻壓力云圖如圖7所示?？芍鹚幵陂_(kāi)始燃燒的瞬間，中心形成壓力波并以漸進(jìn)式傳播，壓力波到達(dá)模型另一端后發(fā)生反射，并貼著模型壁反向擴(kuò)散，隨著火藥燃燒加劇，經(jīng)反射后的壓力波與新產(chǎn)生的壓力開(kāi)始混合疊加，模型內(nèi)部各位置受到的壓力由各方向不同大小的壓力匯聚疊加而成，當(dāng)火藥燃燒結(jié)束，模型內(nèi)部各點(diǎn)所受壓力也將趨于平穩(wěn)。

以上各壓力云圖為某時(shí)刻模型內(nèi)部火藥燃燒的整體分布情況，要了解各位置的動(dòng)態(tài)壓力變化信息，則需要對(duì)不同位置進(jìn)行單獨(dú)分析。對(duì)圖6中的A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)所受壓力進(jìn)行分析，觀察各點(diǎn)在整個(gè)仿真過(guò)程的P-t曲線。各特征點(diǎn)壓力動(dòng)態(tài)變化曲線如圖8所示。

由圖8（a）可得A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)中，壓力最先傳至A點(diǎn)且A點(diǎn)上升時(shí)間最快，同時(shí)也具有最大的峰值壓力。B點(diǎn)和C點(diǎn)與A點(diǎn)相比壓力到達(dá)時(shí)間均滯后，B點(diǎn)的最大峰值要低于C點(diǎn)的最大峰值。

由圖8（b）可得在火藥燃燒瞬間D點(diǎn)和G點(diǎn)都會(huì)有較小的峰值出現(xiàn)，兩點(diǎn)P-t曲線的輪廓基本一致，模型中心位置E點(diǎn)的壓力幅值在整個(gè)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生太大的波動(dòng)，相對(duì)較穩(wěn)定。

由圖8（c）可得所選取的特征點(diǎn)中A點(diǎn)具有最大的峰值壓力，其次是F點(diǎn)，兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的P-t曲線輪廓基本一致。各點(diǎn)曲線在0.5ms之后大都趨于平穩(wěn)，

通過(guò)對(duì)所建立火藥燃燒仿真模型分析可得：仿真結(jié)果呈現(xiàn)了火炮膛內(nèi)火藥燃燒過(guò)程中所形成壓力的傳播過(guò)程及分布，能夠方便地獲取實(shí)測(cè)試驗(yàn)中無(wú)法測(cè)得的膛內(nèi)任意位置的壓力數(shù)據(jù)。建立的模型與實(shí)際火炮炮膛對(duì)比，A點(diǎn)與F點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)火炮的膛底和彈底位置，G、D、E、F點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)膛內(nèi)中軸線上距離膛底漸遠(yuǎn)的位置，仿真得出的各位置的動(dòng)態(tài)壓力信息將為研究火炮膛內(nèi)壓力分布規(guī)律及進(jìn)行多點(diǎn)同步實(shí)測(cè)試驗(yàn)提供技術(shù)支持，也為多測(cè)試儀安放數(shù)量和位置選取提供理論依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出火炮膛內(nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試方法，對(duì)其測(cè)試原理及合理性進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)了同步觸發(fā)測(cè)試儀的頂部端蓋，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，驗(yàn)證其在實(shí)際測(cè)試條件下的合理性；利用仿真軟件對(duì)膛內(nèi)火藥氣體壓力分布進(jìn)行分析，為研究火炮膛內(nèi)壓力分布規(guī)律及進(jìn)行多點(diǎn)同步實(shí)測(cè)試驗(yàn)提供技術(shù)支持?；鹋谔艃?nèi)多測(cè)試裝置同步測(cè)試方法將為火炮膛內(nèi)多點(diǎn)壓力同步測(cè)試及壓力場(chǎng)分布的研究提供新的方法與方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 張相炎. 火炮設(shè)計(jì)理論[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：153-161.

[2] 舒躍飛. 基于光觸發(fā)的微小型電容式測(cè)壓系統(tǒng)研究[D]. 太原：中北大學(xué)，2016.

[3] 錢(qián)林芳.火炮彈道學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009：111-112.

[4] ZU J， ZHANG Z J， CHEN A， et al. New concept dynamic testing and calibration techniques[C]∥Proceeding of MSC，2006.

[5] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：274-275.

[6] LI X E， ZU J， MA T H， et al. Measuring chamber pressures of different caliber artilleries using a capacitive pressure sensor[J]. Sensors and materials： An International Journal on Sensor Technology，2011，23（5）：277-292.

[7] 陳建剛，張建福，盧鳳雙. 18Ni馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)化方法概述[J]. 金屬功能材料，2009，16（4）：46-49.

[8] 李新娥，祖靜，馬鐵華，等. 用于火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試的電容式傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（3）：640-645.

[9] 李成濤，沈卓身. 光電光窗的封接技術(shù)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（2）：102-105.

[10] 馬英卓，祖靜，張瑜. 低功耗瞬態(tài)火炮膛壓存儲(chǔ)測(cè)試儀設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，（1）：128-133.

（編輯：李妮）