劉小龍 裴東興 李新娥 祗會強(qiáng)

摘 要：目前火炮膛內(nèi)壓力測試都是通過在膛內(nèi)固定位置安放測試儀器來獲得各定點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，由于各測試裝置的觸發(fā)時間不一致，獲得的各位置膛壓數(shù)據(jù)相互之間沒有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，因此該文開展火炮膛內(nèi)壓力場分布測試方法的研究。對傳統(tǒng)的放入式電子測壓儀的頂部端蓋結(jié)構(gòu)和觸發(fā)方式進(jìn)行改進(jìn)，以火炮發(fā)射時產(chǎn)生的光信號為測試裝置同步外觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)火炮膛內(nèi)多測試裝置同步測試。通過ANSYS仿真軟件對測試儀端蓋進(jìn)行靜態(tài)載荷分析和密閉空間內(nèi)火藥燃燒壓力場的動態(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)測試驗(yàn)提供技術(shù)支持。

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，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)形成高動態(tài)壓力，即為火炮膛壓[1]。在此過程中，火炮膛內(nèi)各位置的壓力時刻在變，綜合發(fā)射過程每一時刻膛內(nèi)各位置的壓力數(shù)據(jù)就構(gòu)成了火炮膛內(nèi)壓力場的分布信息?；鹋谔艃?nèi)壓力場分布信息對火炮發(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]。目前火炮膛壓測試方法有3種：銅柱、銅球測壓法，引線式測壓法及放入式電測壓法[3]。銅柱、銅球測壓法只能獲得膛壓峰值，引線式測壓法和放入式電測壓法都可獲得膛內(nèi)固定位置的壓力曲線，但引線式測壓法對火炮發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)影響較大，放入式電測法對發(fā)射環(huán)境影響小，測試精度高。由上述可知，要獲得發(fā)射過程中每一時刻各位置的壓力數(shù)據(jù)，可用多個相同的放入式測試儀安放在膛內(nèi)的關(guān)鍵部位，采用同一外觸發(fā)信號，來獲取各測試位置的壓力信息。

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

1 膛內(nèi)多測試裝置同步觸發(fā)原理

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

2 同步測試方法合理性分析

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

tresponse=■×m

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

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

3 同步觸發(fā)測試儀設(shè)計與分析

3.1 同步觸發(fā)測試儀

單個同步觸發(fā)測試儀以放入式電子測壓儀的結(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)測試儀外部是由18Ni馬氏體時效鋼材料制作的高強(qiáng)度保護(hù)殼體[7]，在惡劣環(huán)境下對內(nèi)部測試電路起到保護(hù)作用，同時也是殼體一體化的電容傳感器的一極[8]。同步觸發(fā)測試儀頂部端蓋嵌入高強(qiáng)度光窗并與光纖連接，光纖由測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)測試儀工作流程為：火炮膛內(nèi)火藥開始燃燒，通過光纖接收其燃燒產(chǎn)生的光信號，并傳遞至光窗，測試儀內(nèi)部光敏元件透過光窗接收到光信號，通過電路的轉(zhuǎn)換及放大處理，將信號傳遞至處理器，處理器做出相應(yīng)響應(yīng)，開始采集存儲膛內(nèi)對應(yīng)位置的膛壓信息，隨著環(huán)境的惡化光纖將被燒毀（每次測試各測試儀都會安裝新的光纖）。

3.2 測試儀頂蓋設(shè)計與仿真

火炮膛內(nèi)惡劣的發(fā)射環(huán)境對同步觸發(fā)測試儀含有光窗的頂部端蓋要求非常嚴(yán)格，在保證測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)計了圖3所示的測試儀頂蓋結(jié)構(gòu)。

同步觸發(fā)測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馬氏體時效鋼材料。兩種材料對應(yīng)參數(shù)如表1、表2所示。

由實(shí)測火炮膛壓數(shù)據(jù)，火炮膛壓峰值應(yīng)小于600 MPa[10]，則同步觸發(fā)測試儀的測量范圍選擇0～600 MPa，利用ANSYS仿真軟件對同步觸發(fā)測試儀頂部端蓋進(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時的應(yīng)力云圖如圖4所示。

可知在測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，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)際測試中，測試儀頂部端蓋將滿足測試需求。

4 火炮膛內(nèi)壓力場分布仿真與分析

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，則只對彈丸未被擠進(jìn)膛線且膛內(nèi)體積基本不變時的非自由場火藥燃燒產(chǎn)生的壓力場分布進(jìn)行仿真分析。

在彈丸未被壓力擠進(jìn)膛線時，其對應(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調(diào)用軟件中不同的關(guān)鍵字和設(shè)置相關(guān)參數(shù)來完成。

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)來觀察各點(diǎn)在仿真過程中動態(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)置對模型仿真的時間長度2 800 μs，25 μs為一個輸出時間節(jié)點(diǎn)。則導(dǎo)出數(shù)值模擬仿真的4個時刻壓力云圖如圖7所示?？芍鹚幵陂_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，要了解各位置的動態(tài)壓力變化信息，則需要對不同位置進(jìn)行單獨(dú)分析。對圖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)在整個仿真過程的P-t曲線。各特征點(diǎn)壓力動態(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)上升時間最快，同時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)的壓力幅值在整個過程中不會發(fā)生太大的波動，相對較穩(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)，

通過對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)火藥燃燒過程中所形成壓力的傳播過程及分布，能夠方便地獲取實(shí)測試驗(yàn)中無法測得的膛內(nèi)任意位置的壓力數(shù)據(jù)。建立的模型與實(shí)際火炮炮膛對比，A點(diǎn)與F點(diǎn)分別對應(yīng)火炮的膛底和彈底位置，G、D、E、F點(diǎn)分別對應(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)測試驗(yàn)提供技術(shù)支持，也為多測試儀安放數(shù)量和位置選取提供理論依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文提出火炮膛內(nèi)多測試裝置同步測試方法，對其測試原理及合理性進(jìn)行分析；設(shè)計了同步觸發(fā)測試儀的頂部端蓋，并對其進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，驗(yàn)證其在實(shí)際測試條件下的合理性；利用仿真軟件對膛內(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)測試驗(yàn)提供技術(shù)支持?；鹋谔艃?nèi)多測試裝置同步測試方法將為火炮膛內(nèi)多點(diǎn)壓力同步測試及壓力場分布的研究提供新的方法與方向。

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（編輯：李妮）