基于虚拟仪器技术的复合材料身管动态试验
2011-04-11周翠平徐亚栋
周翠平，徐亚栋
(南京理工大学机械工程学院，南京210094)
1 基于虚拟仪器的自动测试系统
1.1 硬件系统
所选用的自动测试系统基于先进的虚拟仪器技术，以PXI总线硬件为主控和采集模块，以SCXI模块为主要的信号调理模块，其硬件结构如图1所示。
图1 自动测试系统硬件组成
其中，PXI控制方式采用嵌入式控制方式，控制器采用NI公司的PXI－8186型嵌入式控制器，数据采集模块为PXI－6052E数据采集卡;SCXI信号调理部分的硬件构成有机箱、动态应变仪模块和隔离放大器模块，应变仪模块为NI公司的SCXI－1520型8通道应变仪，隔离放大器模块选用NI公司的SCXI－1125型隔离放大模块;另外，系统中还采用了Kistler公司微处理器控制的5011B电荷放大器，用于将压电传感器产生的电荷转换成为相应比例的电压信号，该型号放大器主要用于机械量，如压力、力和加速度的测量。
1.2 软件系统
基于虚拟仪器建立的自动测试系统中，软件系统是整个测试系统的核心，系统软件主要包括:
(1)控制系统硬件模块各种功能的实现
在计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件设计来实现仪器的功能，通过不同功能的软件模块组合来实现多种功能。
(2)测试系统与用户的交互
建立一个良好人机交互界面，界面上的各种“控件”可以模拟传统仪器面板的按钮，方便直观。因此，系统软件的层次结构也由两部分构成，如图2所示。
图2 自动测试系统软件层次结构
应用程序:用于实现虚拟面板功能和定义各项测试功能。
I/O接口驱动程序:I/O接口驱动程序用于处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议，用于完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯。
基于上述层次结构，在LabVIEW虚拟仪器集成开发环境开发出的自动测试系统的系统软件，其功能结构如图3所示。
图3 系统软件功能结构
2 某口径复合材料身管动态试验
为了考核设计加工的复合材料身管的动态强度和动态响应特性，本文进行了该复合材料身管的实弹射击试验，同时为了和全金属身管的性能作比较，也进行了金属身管实弹射击的对比试验，所有的试验条件和射击参数完全相同。
本次试验的测试项目为复合身管外壁应变和炮口加速度，应变片和加速度传感器的安装位置如图4所示，图5为应变片和加速度传感器安装的实景照片。
图4 传感器位置示意图
图5 试验应变片和加速度传感器安装位置
由于火炮射击时的环境非常恶劣，身管承受瞬态冲击作用，炮口冲击波也对传感器产生了极大的破坏，整个测试系统的测试受到很大的影响，射击瞬间的试验信号捕捉非常困难，下面仅给出所测到的部分试验结果。图6为前后炮箍之间测试位置的周向应变曲线，图中前100ms为预采集数据，图7为该位置的理论计算结果。通过对这两条曲线的对比可以发现，理论计算和试验结果非常吻合，变化规律极为一致，试验最大应变约为960 微应变，即0.00096，计算结果为 0.000875，相对误差仅为8.8%。
图6 试验测试应变曲线
图7 理论计算应变曲线
图8为射击时炮口的横向加速度试验结果，其中实线为复合材料身管，虚线为金属身管。从金属身管和复合材料身管的响应曲线对比来看，复合材料身管的炮口加速度比金属身管要降低50%以上，阻尼明显高于金属身管，高频振动信号明显少于金属身管。
图8 炮口横向加速度曲线
3 结论
本文采用先进的火炮自动测试系统，对某口径复合材料身管进行了实弹射击考核试验，获得了该复合材料身管的动态响应特性，试验获得的复合身管外壁某位置的周向应变与理论计算进行对比，结果基本一致，验证了该复合材料身管理论计算模型的正确性;试验测得的炮口加速度结果表明:采用复合材料身管后，火炮射击时炮口横向加速度降低50%以上，振动频率也小于采用金属身管时的炮口加速度，这说明复合材料身管具有更好的动态特性，对于提高火炮射击精度具有非常重要的作用。
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