光觸發(fā)電子測壓儀強度與可靠性分析*

劉小龍,裴東興,李新娥,于文松,梁彥斌

(1 中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3 國營第247廠,太原 030051)

0 引言

火炮發(fā)射時,膛內(nèi)的壓力場分布信息對新型火炮研制與設計非常重要,也是研究火炮內(nèi)彈道發(fā)射規(guī)律與彈丸裝藥結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)[1]。目前,火炮膛壓測試方法主要是測試膛內(nèi)某一固定位置的動態(tài)壓力曲線,每次只能得到一個位置的壓力曲線,對分析膛內(nèi)壓力場分布、改造火炮發(fā)射裝置、優(yōu)化彈丸裝藥結(jié)構(gòu)是不夠的[2],因此提出利用多個光觸發(fā)電子測壓儀同時觸發(fā)來測試膛內(nèi)不同位置壓力信息的方案[3-4]。由于光觸發(fā)電子測壓儀的端蓋采用了嵌入光窗的新型結(jié)構(gòu),則在火炮發(fā)射的惡劣環(huán)境中測壓儀整體的抗壓和屏蔽性能都應該滿足實際測試需求。

文中對光觸發(fā)電子測壓儀端蓋和測壓儀整體強度、電磁屏蔽性能進行仿真分析;提出在光窗內(nèi)表面附著電磁屏蔽薄膜的方法以改善測試過程中測壓儀的電磁屏蔽性能;通過模擬膛壓發(fā)生器模擬實際發(fā)射環(huán)境,驗證光觸發(fā)電子測壓儀用于火炮膛壓測試的合理性和有效性。

1 光觸發(fā)電子測壓儀

光觸發(fā)電子測壓儀由殼體一體化電容式傳感器、光窗、專用護膛環(huán)、儲蓄電池、光敏元件、內(nèi)部電路等構(gòu)成。測壓儀外殼是由18Ni馬氏體時效鋼材料制成[5],在測試時可以對內(nèi)部測試電路起到很好的保護作用,也是殼體一體化電容式傳感器的一極[6-7];光觸發(fā)電子測壓儀頂部端蓋嵌入耐壓強度高、透光性良好的光窗來接收外觸發(fā)信號。圖1為光觸發(fā)電子測壓儀的總體結(jié)構(gòu)圖。

測壓儀工作過程:火炮膛內(nèi)火藥開始燃燒,通過光窗接收其燃燒產(chǎn)生的光信號,測壓儀內(nèi)部光敏元件接收到光信號后,由對應電路進行轉(zhuǎn)換、處理,將觸發(fā)信號傳遞至處理器并做出觸發(fā)響應,測壓儀開始采集存儲由殼體內(nèi)層、外層組成的電容式傳感器產(chǎn)生對應電信號變化量,即膛內(nèi)對應位置壓力信息。

2 測壓儀殼體設計與強度仿真

2.1 測壓儀端蓋材料選擇及結(jié)構(gòu)設計

由于光觸發(fā)電子測壓儀需承受火炮發(fā)射時惡劣發(fā)射環(huán)境,考慮到光窗強度、進光量大小等因素,選用耐高溫、高壓的防爆玻璃作為光窗材料[8],端蓋周圍材料選用與殼體材料相同的18Ni馬氏體時效鋼。兩種材料對應參數(shù)如下表所示:

結(jié)合光觸發(fā)電子測壓儀結(jié)構(gòu)和整體尺寸,設計測壓儀端蓋結(jié)構(gòu)和三維示意圖,如圖2所示。

2.2 測壓儀端蓋靜態(tài)壓力仿真

由各類火炮實測膛壓數(shù)據(jù),膛壓峰值一般小于600 MPa,光觸發(fā)電子測壓儀的測量量程選擇0～600 MPa[9-10]。利用ANSYS仿真軟件對測壓儀頂部端蓋進行抗壓強度仿真,根據(jù)測壓儀端蓋中的各材料對應參數(shù)建立合理仿真模型,選取恒定載荷為600 MPa的情況進行仿真分析,圖3為測壓儀端蓋在恒定載荷600 MPa時靜態(tài)應力云圖。

圖3 載荷600 MPa時端蓋整體的應力云圖

由圖3可知端蓋螺紋末端的退刀槽位置應力達到最大值1 690 MPa,光窗所受應力值為594 MPa,由表1、表2中的參數(shù)可知18Ni馬氏體時效鋼材料的屈服極限為2 000 MPa,耐高溫防爆玻璃的抗壓強度1 150 MPa,端蓋的兩種材料均在承受范圍之內(nèi),光觸發(fā)電子測壓儀頂部端蓋滿足實際測試需求。

2.3 測壓儀整體動態(tài)壓力仿真

在實際火炮發(fā)射的過程中,膛內(nèi)壓力是脈寬較窄瞬態(tài)壓力,因此,必須考慮光觸發(fā)電子測壓儀在瞬態(tài)壓力作用下的整體抗壓強度性能,利用仿真軟件對測壓儀進行瞬態(tài)壓力仿真分析。

根據(jù)實際火炮膛內(nèi)壓力變化規(guī)律,設施加載荷脈寬20 ms,取t=5 ms達到峰值600 MPa[11],施加載荷變化曲線如圖4所示。

根據(jù)測壓儀對應各材料力學參數(shù)建立合理的仿真模型,將具有上述變化規(guī)律的載荷施加到模型的外側(cè)面。由于測壓儀整體是軸對稱的圓柱結(jié)構(gòu),分析殼體的四分之一就可以得到整個殼體的特性,圖5為殼體載荷達到峰值時的應力云圖。

圖4 施加載荷變化曲線

圖5 載荷達到峰值時的應力云圖

由應力云圖5可得,施加載荷達到峰值時,殼體所受應力最大值出現(xiàn)在端蓋和外殼螺紋接觸的末端,其值為1 630 MPa,光窗所受壓力最大值545 MPa,兩者所受應力均在材料的承受范圍內(nèi),外殼整體僅發(fā)生彈性形變,光觸發(fā)電子測壓儀將滿足實際測試條件下的測試需求。

3 測壓儀電磁屏蔽性能分析與改善

3.1 測壓儀電磁屏蔽性能仿真分析

在火炮發(fā)射過程中,惡劣的發(fā)射環(huán)境將會帶來相應的電磁干擾,若光觸發(fā)電子測壓儀沒有良好的電磁屏蔽性能,將無法得到準確的有效信號,甚至有效信號將被電磁干擾產(chǎn)生的噪聲信號所湮沒[12]。利用仿真軟件對測壓儀進行電磁屏蔽性能仿真分析,根據(jù)測壓儀中的材料參數(shù)建立仿真模型,將高頻電磁場施加在光觸發(fā)電子測壓儀模型外部且磁場方向為測壓儀殼體的軸向。測壓儀殼體外部磁密分布如圖6所示。

圖6 殼體外部磁密分布圖

由光窗材料與金屬材料對應的電磁屏蔽性能不同,則在光觸發(fā)電子測壓儀端蓋增加光窗將對測壓儀整體的電磁屏蔽性能帶來影響。在測壓儀模型外部施加高頻電磁場,通過對比增加光窗前后電磁屏蔽效果來分析光窗對測壓儀電磁屏蔽性能的影響。如圖7所示為開窗前和開窗后的屏蔽性能對比圖。

圖7 開設光窗前、后屏蔽效果對比圖

從圖7中仿真結(jié)果可以看出,開窗后端蓋處得到的仿真結(jié)果,磁場強度的最大值(028887H)約為開窗前端蓋處對應磁場強度最大值(009042H)的3倍。根據(jù)仿真結(jié)果可得,相同條件下如果測壓儀端蓋增加光窗,則端蓋外對應的磁場強度將變大,進而使殼體內(nèi)部的殘余磁密變大,這將對端蓋部位的測試電路產(chǎn)生較大干擾進而影響測試精度,甚至分辨不出有效信號。

3.2 電磁屏蔽性能改善方法

為了改善測壓儀整體電磁屏蔽效果,提出在測壓儀光窗內(nèi)表面通過特殊處理,增加一層由ITO材料制作的電磁屏蔽薄膜[13]。根據(jù)增加電磁屏蔽薄膜后測壓儀中的各材料參數(shù)建立對應仿真模型并進行電磁屏蔽性能分析,圖8為增加電磁屏蔽薄膜后屏蔽效果圖。

圖8 光窗表面附著屏蔽薄膜后屏蔽效果圖

由圖8可知在施加相同高頻電磁場的條件下得到端蓋處的仿真結(jié)果,磁場強度的最大值(01418H)與開窗前較接近,屏蔽效果較好。

4 模擬膛壓數(shù)據(jù)分析

4.1 模擬膛壓發(fā)生裝置

用模擬膛壓發(fā)生器來產(chǎn)生與實際火炮發(fā)射相似的發(fā)射環(huán)境,使用光觸發(fā)電子測壓儀與標準測試系統(tǒng)共同進行測試分析,驗證光觸發(fā)電子測壓儀的整體性能和測試數(shù)據(jù)的可靠性。試驗時將定量的發(fā)射藥在模擬膛壓發(fā)生器中的膛內(nèi)點燃,產(chǎn)生類似火炮發(fā)射時膛內(nèi)壓力變化過程。光觸發(fā)電子測壓儀安裝在膛內(nèi)底部與標準壓力傳感器測試同一信號。如圖9為模擬膛壓發(fā)生器裝置與測試原理框圖。

4.2 測試數(shù)據(jù)可靠性分析

模擬膛壓發(fā)生器中標準測試系統(tǒng)是由3只標準壓力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,其采集速率非常高,可以認為3只標準傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)在時間序列上是一致的。某次試驗標準測試系統(tǒng)通道ch1、ch2、ch3得到的3組數(shù)據(jù)為Pi、Xi、Gi,圖10為標準系統(tǒng)測得的壓力曲線。

(1)

根據(jù)相關性的定義,相關系數(shù)ρ的取值范圍0≤ρ≤1,越接近1兩者的相關性越高,當?shù)扔?時兩條曲線重合[14]。

圖9 模擬膛壓發(fā)生器裝置與測試原理框圖

根據(jù)相關系數(shù)計算公式(1)對3組數(shù)據(jù)兩兩進行相關性分析,得到3組數(shù)據(jù)的相關系數(shù)如表3所示。

表3 3組數(shù)據(jù)兩兩相關系數(shù)

由表3中的3組數(shù)據(jù)兩兩之間的相關系數(shù)可得3組波形曲線相似程度極高,又因標準測試系統(tǒng)所用傳感器與電荷放大器均為校準級別儀器,則可認為測得壓力數(shù)據(jù)為校準級別壓力數(shù)據(jù)。

選取試驗中測壓儀測得壓力數(shù)據(jù)與標準壓力數(shù)據(jù)進行相關性分析。圖11為標準壓力曲線Pi與測壓儀測得壓力曲線Yi。

圖11 標準壓力曲線與測壓儀測得壓力曲線

由圖11可以看出,在壓力的下降段標準壓力與測壓儀測得壓力出現(xiàn)微小差值,這是由測壓儀的殼體一體化傳感器彈性形變恢復延時引起的差值。根據(jù)相關性定義圖11中的兩曲線的相關系數(shù)為0.979 638,對隨機選取的10組試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析,光觸發(fā)電子測壓儀測得壓力曲線與標準壓力曲線相關性均在0.97以上。由上述分析可知光觸發(fā)電子測壓儀測得的膛壓數(shù)據(jù)滿足精確測量要求且測得數(shù)據(jù)準確可靠。

5 結(jié)論

文本介紹了光觸發(fā)電子測壓儀原理,利用有限元仿真軟件對增加光窗的測壓儀端蓋和測壓儀整體的抗壓強度進行仿真與分析;分析了測壓儀端蓋增加光窗對其電磁屏蔽性能的影響,提出改善光觸發(fā)電子測壓儀電磁屏蔽性能的方法;使用模擬膛壓發(fā)生器對測壓儀測試性能進行檢驗,通過對測得的試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析,驗證了光觸發(fā)電子測壓儀測得的壓力數(shù)據(jù)準確性;同時文中所使用的分析方法可為新型儀器抗壓強度和可靠性分析提供借鑒。