基于LabVIEW的沖擊力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

裝甲防護(hù)材料在受到子彈沖擊后產(chǎn)生裂紋和形變并且防護(hù)性能下降的原因是在極短的時(shí)間內(nèi)受到很大的沖擊力，沖擊點(diǎn)上的溫度驟然升高破壞了裝甲材料的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生裂紋和形變的過程與沖擊力大小及其變化過程息息相關(guān)。因此，測量沖擊力大小及其變化過程是分析材料防護(hù)性能最直接的辦法。霍普金森桿是研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的主要實(shí)驗(yàn)方法。但是，霍普金森桿操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理繁瑣，需要輕氣炮、應(yīng)變儀等造價(jià)昂貴的裝置，所以應(yīng)用范圍受限，并沒有推廣到實(shí)際的靶場[1-2]。實(shí)際靶場的檢測方法是：對(duì)裝甲防護(hù)材料進(jìn)行槍擊試驗(yàn)，按照裝甲防護(hù)材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)生穿透的材料不做進(jìn)一步計(jì)量，對(duì)未穿透的材料測量其正面裂紋、彈孔直徑、彈孔深度和背面的鼓包高度；對(duì)材料背面有、無飛濺物和損傷情況進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。沒有對(duì)子彈沖擊材料時(shí)沖擊力的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行計(jì)量測試。在實(shí)際測量中，同一個(gè)裂紋不同的人測量的數(shù)值不盡相同，這樣就帶來了測量誤差。而這種人工測量裂紋、彈孔直徑、彈孔深度、背面的鼓包高度、背面有無飛濺物等指標(biāo)的測試方法只能進(jìn)行定性分析，不能進(jìn)行定量分析[3-4]。現(xiàn)有的測試手段還比較粗糙，測試結(jié)果也不夠精確。這些檢測手段還不能滿足科學(xué)研究和實(shí)際開發(fā)產(chǎn)品的需要。因此，開發(fā)一種更加輕便，能夠?qū)崗椛鋼簦芡瑫r(shí)滿足科學(xué)研究和實(shí)際需要的檢測手段，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套沖擊力檢測系統(tǒng)。以LabVIEW為平臺(tái)編寫了系統(tǒng)的界面顯示程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的分析與存儲(chǔ)，沖擊力-時(shí)間曲線的顯示。從而非常直觀的反映沖擊實(shí)驗(yàn)中沖擊力的大小及其變化過程。

1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)的沖擊力檢測系統(tǒng)主要應(yīng)用在實(shí)際靶場的實(shí)彈射擊試驗(yàn)中。系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、LabVIEW軟件平臺(tái)和電源等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡都屬于硬件部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波和數(shù)字化[5-6]。由于系統(tǒng)用于實(shí)際靶場的子彈沖擊力檢測，在試驗(yàn)的時(shí)候，壓力傳感器受沖擊產(chǎn)生的信號(hào)幅值大，頻率高，必須把采集的信號(hào)進(jìn)行處理才能送入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

軟件部分包括，采集卡驅(qū)動(dòng)程序、信號(hào)處理程序、系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。采集卡驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橛?jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡提供了軟件接口。數(shù)據(jù)采集卡通過并口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)處理程序調(diào)整后在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示沖擊力的大小及其變化過程。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

由參考文獻(xiàn)[7-8]可知，子彈在撞擊靶板時(shí)產(chǎn)生的沖擊波形可以用升余弦函數(shù)來近似。升余弦函數(shù)：

(1)

升余弦函數(shù)對(duì)應(yīng)的頻域函數(shù)：

(2)

圖2 升余弦函數(shù)時(shí)域圖像 圖3 升余弦函數(shù)頻域圖像

(3)

(4)

其中:2τ為沖擊波形的脈沖寬度。

2.2 ANSYS/LS-DYNA仿真實(shí)驗(yàn)

ANSYS/LS-DYNA軟件是著名的通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值模擬功能，能夠?qū)φ鎸?shí)世界的各種復(fù)雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性進(jìn)行模擬。在求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問題上取得了令人滿意的結(jié)果，因而在民用和國防工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[10-11]。本文采用了ANSYS/LS-DYNA建立子彈和靶板有限元模型，并生成關(guān)鍵字輸入文件，再由LS-DYNA程序進(jìn)行分析，最后由LS-PREPOST進(jìn)行后處理,從而實(shí)現(xiàn)子彈對(duì)防護(hù)復(fù)合材料的碰撞和侵徹過程的數(shù)值模擬。

由于子彈對(duì)靶板的侵徹問題是一個(gè)高度非線性的動(dòng)力學(xué)問題，在對(duì)這類問題進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候，選取合理的材料分析模型是能否得到準(zhǔn)確結(jié)果的關(guān)鍵。在ANSYS/LS-DYNA中可以選取帶有斷裂失效的Johnson-Cook本構(gòu)模型來描述侵徹過程的力學(xué)性能[12-13]。Johnson-Cook本構(gòu)模型在大應(yīng)變情況下的本構(gòu)關(guān)系為：

(5)

子彈和靶板有限元模型中，彈頭形狀設(shè)置為頭部為半球形的圓柱金屬彈丸，半徑1.5 cm，長度4.5 mm。靶板尺寸為24 cm×24 cm×0.9 cm，彈頭垂直侵徹靶板，初速度設(shè)置為800 m/s。考慮到彈丸和靶板都是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了提高仿真的效率，因此在使用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)可以利用模型的對(duì)稱性，把對(duì)整個(gè)模型的仿真簡化為對(duì)四分之一模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真模型選用三維Lagrangian網(wǎng)格計(jì)算，網(wǎng)格類型選用三維實(shí)體顯式單元3D Solid164單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。子彈與靶板撞擊時(shí)，彈靶直接接觸的區(qū)域具有應(yīng)力較大且應(yīng)力集中的特點(diǎn)，所以在子彈與靶板撞擊的附近區(qū)域采用更加細(xì)致的網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離子彈與靶板撞擊的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)粗糙。從而在考慮仿真效率的基礎(chǔ)上提高仿真精度。子彈與靶板的接觸算法采用*CONTACT-ERODING-SURFACE-TO-SURFACE接觸算法。為了節(jié)省CPU的資源，在進(jìn)行單元的處理時(shí)采用單點(diǎn)積分。同時(shí)要避免出現(xiàn)沙漏模態(tài)，即在材料大變形分析中結(jié)果無效的問題，需要引入人工體積粘性項(xiàng)來調(diào)整彈靶材料模型的體積粘性，來確保整個(gè)分析過程的正確性。這里設(shè)置人工體積粘性項(xiàng)的線性系數(shù)為0.06，二次項(xiàng)系數(shù)為1.0，從而增大彈靶模型的體積粘性。設(shè)置子彈垂直撞擊靶板(-Z方向)，并且約束了子彈其他5個(gè)自由度。仿真模型單位采用g-cm-μs單位制。圖4為子彈對(duì)防護(hù)復(fù)合材料的碰撞和侵徹過程中選取了4個(gè)不同時(shí)間的VonMises應(yīng)力云圖，通過應(yīng)力云圖可以清楚直觀的了解撞擊過程。

圖4 不同時(shí)間應(yīng)力云圖

設(shè)置計(jì)算時(shí)間為400μs，每2μs輸出一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果文件。計(jì)算結(jié)束后，利用LS-DYNA提供的后處理器LS-PREPOST對(duì)之前產(chǎn)生二進(jìn)制結(jié)果文件進(jìn)行后處理，在LS-PREPOST中導(dǎo)入結(jié)果文件d3plot可以得到子彈侵徹過程的加速度時(shí)間如圖5所示。

圖5 子彈的加速度曲線

通過有限元仿真得到的子彈加速度曲線可以得到子彈在撞擊靶板時(shí)產(chǎn)生的沖擊波形脈沖寬度為100μs，結(jié)合公式(3)和公式(4)以及圖5可以大致推算出壓力傳感器的頻率需要滿足固有頻率大于20 kHz，從而為壓力傳感器的選取提供有效的參考。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成。

本系統(tǒng)采用型號(hào)為JLBS-1的S型壓力傳感器，是一種壓阻式壓力傳感器，靈敏度為2 mV/V，激勵(lì)電壓為12 V。傳感器采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，具有測量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、輸出對(duì)稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。壓阻式壓力傳感器主要是基于單晶硅的壓阻效應(yīng)，在硅膜片特定方向上擴(kuò)散4個(gè)等值的半導(dǎo)體電阻，并連接成惠斯通電橋。當(dāng)外力加載在膜片上時(shí)，電橋失去平衡。若對(duì)電橋加恒壓源時(shí)，便可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，從而達(dá)到測量壓力的目的。原理如圖6所示。

圖6 壓力傳感器原理圖

可以推出：

(6)

其中:R1，R2，R3，R4為應(yīng)變片電阻，Ui為傳感器的輸入電壓，U0為傳感器的輸出電壓。

當(dāng)時(shí)R1R3=R2R4，電橋達(dá)到平衡條件，這時(shí)候傳感器的輸出電壓U0=0 mV。

傳感器在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，同時(shí)電阻應(yīng)變片也發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片形變后，它的阻值發(fā)生變化。假設(shè)各橋臂阻值變化相同，變化量為△R，由于R1、R3處于正應(yīng)力區(qū)，電阻值增加△R；R2、R4處于負(fù)應(yīng)力區(qū)，電阻值減小△R，電橋失去平衡,而R1=R2=R3=R4=R，可以推出傳感器輸出電壓為：

U0=△R/R·Ui

(7)

公式(7)說明壓力傳感器輸出電壓與傳感器所受壓力成正比。

放大電路是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重點(diǎn)。系統(tǒng)采用三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器作為壓力信號(hào)的放大電路。這里選用高速精密運(yùn)算放大器OPA602構(gòu)成儀表放大電路。OPA602具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫漂等優(yōu)良特性，采用LM7812和LM7912雙電源供電。儀表放大電路如圖7所示，第一級(jí)由A1和A2構(gòu)成同相輸入，提高了輸入阻抗。第二級(jí)由A3構(gòu)成差分放大電路，具有很高的輸入阻抗和共模抑制比。電阻R1=R3,R2=R4,R5=R6，則輸出電壓：

(8)

由公式(8)可知，儀表放大電路的增益可由調(diào)節(jié)R1,R2,R5,RG進(jìn)行設(shè)置。電阻選擇精度高，性能穩(wěn)定的金屬膜電阻。這里選取R1=R3=1 K，R2=R4=20 K，R5=R6=2 K，RG=1 K，使得放大電路的輸出滿足數(shù)據(jù)采集卡的要求。

圖7 儀表放大電路

由奈奎斯特采樣定理可知：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，實(shí)際應(yīng)用中需要保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的3～5倍。因此，這里選擇spectrum公司的m3i.41高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡，分辨率14bit，采樣率為100 MS/s。采集卡的軟件平臺(tái)支持LabVIEW、LabWindows/CVI、VC++等。

2.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和打靶機(jī)架兩大部分構(gòu)成。打靶機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖8所示，靶板1用夾具固定在內(nèi)框架2上，內(nèi)框架2和外框架3由滑輪裝配在一起。外框架3再由底座固定好。傳感器4安裝在內(nèi)框架2和外框架3中間。傳感器通過屏蔽線連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的打靶機(jī)架操作簡單，完整的記錄了子彈在撞擊靶板時(shí)和子彈穿透靶板后的沖擊力曲線。

圖8 機(jī)架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)采用LabVIEW編程語言作為開發(fā)工具，使用圖形化的語言，界面操作簡單直觀，交互界面友好。其主要功能包括傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、回放、分析、運(yùn)動(dòng)控制、報(bào)警、錯(cuò)誤顯示，對(duì)測試系統(tǒng)自動(dòng)化控制[14-15]。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過上位機(jī)程序處理后實(shí)現(xiàn)了直觀的顯示。

檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。包括用戶操作界面設(shè)計(jì)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，比如設(shè)置輸入范圍、觸發(fā)值、觸發(fā)方式、耦合方式，還有數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)以及圖形顯示與回放。具體步驟為：

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程

1)設(shè)計(jì)操作界面。操作界面設(shè)計(jì)盡量簡潔直觀，要考慮用戶使用習(xí)慣，把重要的參數(shù)設(shè)置用不同的顏色加以區(qū)分。

2)系統(tǒng)初始化。進(jìn)入測試系統(tǒng)后，首先需要對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行做準(zhǔn)備。

3)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。主要根據(jù)傳感器類型以及電荷放大器的輸出信號(hào)的特征來設(shè)置輸入范圍、觸發(fā)值、觸發(fā)方式、耦合方式。根據(jù)實(shí)際的采集需求和本地硬盤容量設(shè)置采樣率。

4)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。對(duì)采集信號(hào)的最大值，周期進(jìn)行分析處理，將原始信號(hào)或者處理后的信號(hào)以電子表格格式存儲(chǔ)在本地硬盤上，便于查閱歷史數(shù)據(jù)。任意設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式、保存路徑以增加系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)需要合理設(shè)置緩存區(qū)的大小、掃描率和掃描數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速采集并保存數(shù)據(jù)。

5)圖形顯示與回放。在測試過程中需要讀取緩存區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)沖擊力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。測試完畢后，在測試過程中可能會(huì)出現(xiàn)異常情況或者信號(hào)引入了一些干擾，導(dǎo)致測試結(jié)果與實(shí)際情況不一致，需要用戶將保存在本地硬盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

4 測試結(jié)果

所設(shè)計(jì)的沖擊力檢測系統(tǒng)對(duì)9靶板進(jìn)行了6次沖擊試驗(yàn)，圖10為6次沖擊試驗(yàn)的沖擊力曲線圖。在0～0.002內(nèi)，沖擊力的大小迅速上升。在0.002時(shí)，沖擊力達(dá)到最大值。在0.002后，沖擊力開始減小。整個(gè)沖擊過程持續(xù)時(shí)間約0.006。從圖中可以得出在沖擊試驗(yàn)中，靶板受到的最大沖擊力范圍是0.5～0.6,對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.002。結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)測試精度高，測試結(jié)果穩(wěn)定，具有很好的動(dòng)態(tài)重復(fù)性，較好地驗(yàn)證了基于LabVIEW的沖擊力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的最大沖擊力、沖擊過程持續(xù)時(shí)間和沖擊力大小變化曲線可以為裝甲防護(hù)材料的設(shè)計(jì)和測試提供參考。

圖10 沖擊力曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LabVIEW沖擊力檢測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了工作效率，滿足了現(xiàn)代化測試的要求。優(yōu)點(diǎn)如下：

1)測試過程自動(dòng)化。用戶界面操作簡單，減少了人工操作的時(shí)間，大大提升了測試效率；

2)實(shí)時(shí)顯示測試圖形和回放歷史數(shù)據(jù)。自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并保存在本地硬盤，便于查詢之前的測試過程，從而進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化；

3)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。測試精度高，減少了人工因素的干擾。對(duì)測試圖形的關(guān)鍵量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比，有助于找出測試產(chǎn)品的不足；

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