光触发电子测压仪强度与可靠性分析*

刘小龙,裴东兴,李新娥,于文松,梁彦斌

(1 中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3 国营第247厂,太原 030051)

0 引言

火炮发射时,膛内的压力场分布信息对新型火炮研制与设计非常重要,也是研究火炮内弹道发射规律与弹丸装药结构的理论依据[1]。目前,火炮膛压测试方法主要是测试膛内某一固定位置的动态压力曲线,每次只能得到一个位置的压力曲线,对分析膛内压力场分布、改造火炮发射装置、优化弹丸装药结构是不够的[2],因此提出利用多个光触发电子测压仪同时触发来测试膛内不同位置压力信息的方案[3-4]。由于光触发电子测压仪的端盖采用了嵌入光窗的新型结构,则在火炮发射的恶劣环境中测压仪整体的抗压和屏蔽性能都应该满足实际测试需求。

文中对光触发电子测压仪端盖和测压仪整体强度、电磁屏蔽性能进行仿真分析;提出在光窗内表面附着电磁屏蔽薄膜的方法以改善测试过程中测压仪的电磁屏蔽性能;通过模拟膛压发生器模拟实际发射环境,验证光触发电子测压仪用于火炮膛压测试的合理性和有效性。

1 光触发电子测压仪

光触发电子测压仪由壳体一体化电容式传感器、光窗、专用护膛环、储蓄电池、光敏元件、内部电路等构成。测压仪外壳是由18Ni马氏体时效钢材料制成[5],在测试时可以对内部测试电路起到很好的保护作用,也是壳体一体化电容式传感器的一极[6-7];光触发电子测压仪顶部端盖嵌入耐压强度高、透光性良好的光窗来接收外触发信号。图1为光触发电子测压仪的总体结构图。

测压仪工作过程:火炮膛内火药开始燃烧,通过光窗接收其燃烧产生的光信号,测压仪内部光敏元件接收到光信号后,由对应电路进行转换、处理,将触发信号传递至处理器并做出触发响应,测压仪开始采集存储由壳体内层、外层组成的电容式传感器产生对应电信号变化量,即膛内对应位置压力信息。

2 测压仪壳体设计与强度仿真

2.1 测压仪端盖材料选择及结构设计

由于光触发电子测压仪需承受火炮发射时恶劣发射环境,考虑到光窗强度、进光量大小等因素,选用耐高温、高压的防爆玻璃作为光窗材料[8],端盖周围材料选用与壳体材料相同的18Ni马氏体时效钢。两种材料对应参数如下表所示:

结合光触发电子测压仪结构和整体尺寸,设计测压仪端盖结构和三维示意图,如图2所示。

2.2 测压仪端盖静态压力仿真

由各类火炮实测膛压数据,膛压峰值一般小于600 MPa,光触发电子测压仪的测量量程选择0～600 MPa[9-10]。利用ANSYS仿真软件对测压仪顶部端盖进行抗压强度仿真,根据测压仪端盖中的各材料对应参数建立合理仿真模型,选取恒定载荷为600 MPa的情况进行仿真分析,图3为测压仪端盖在恒定载荷600 MPa时静态应力云图。

图3 载荷600 MPa时端盖整体的应力云图

由图3可知端盖螺纹末端的退刀槽位置应力达到最大值1 690 MPa,光窗所受应力值为594 MPa,由表1、表2中的参数可知18Ni马氏体时效钢材料的屈服极限为2 000 MPa,耐高温防爆玻璃的抗压强度1 150 MPa,端盖的两种材料均在承受范围之内,光触发电子测压仪顶部端盖满足实际测试需求。

2.3 测压仪整体动态压力仿真

在实际火炮发射的过程中,膛内压力是脉宽较窄瞬态压力,因此,必须考虑光触发电子测压仪在瞬态压力作用下的整体抗压强度性能,利用仿真软件对测压仪进行瞬态压力仿真分析。

根据实际火炮膛内压力变化规律,设施加载荷脉宽20 ms,取t=5 ms达到峰值600 MPa[11],施加载荷变化曲线如图4所示。

根据测压仪对应各材料力学参数建立合理的仿真模型,将具有上述变化规律的载荷施加到模型的外侧面。由于测压仪整体是轴对称的圆柱结构,分析壳体的四分之一就可以得到整个壳体的特性,图5为壳体载荷达到峰值时的应力云图。

图4 施加载荷变化曲线

图5 载荷达到峰值时的应力云图

由应力云图5可得,施加载荷达到峰值时,壳体所受应力最大值出现在端盖和外壳螺纹接触的末端,其值为1 630 MPa,光窗所受压力最大值545 MPa,两者所受应力均在材料的承受范围内,外壳整体仅发生弹性形变,光触发电子测压仪将满足实际测试条件下的测试需求。

3 测压仪电磁屏蔽性能分析与改善

3.1 测压仪电磁屏蔽性能仿真分析

在火炮发射过程中,恶劣的发射环境将会带来相应的电磁干扰,若光触发电子测压仪没有良好的电磁屏蔽性能,将无法得到准确的有效信号,甚至有效信号将被电磁干扰产生的噪声信号所湮没[12]。利用仿真软件对测压仪进行电磁屏蔽性能仿真分析,根据测压仪中的材料参数建立仿真模型,将高频电磁场施加在光触发电子测压仪模型外部且磁场方向为测压仪壳体的轴向。测压仪壳体外部磁密分布如图6所示。

图6 壳体外部磁密分布图

由光窗材料与金属材料对应的电磁屏蔽性能不同,则在光触发电子测压仪端盖增加光窗将对测压仪整体的电磁屏蔽性能带来影响。在测压仪模型外部施加高频电磁场,通过对比增加光窗前后电磁屏蔽效果来分析光窗对测压仪电磁屏蔽性能的影响。如图7所示为开窗前和开窗后的屏蔽性能对比图。

图7 开设光窗前、后屏蔽效果对比图

从图7中仿真结果可以看出,开窗后端盖处得到的仿真结果,磁场强度的最大值(028887H)约为开窗前端盖处对应磁场强度最大值(009042H)的3倍。根据仿真结果可得,相同条件下如果测压仪端盖增加光窗,则端盖外对应的磁场强度将变大,进而使壳体内部的残余磁密变大,这将对端盖部位的测试电路产生较大干扰进而影响测试精度,甚至分辨不出有效信号。

3.2 电磁屏蔽性能改善方法

为了改善测压仪整体电磁屏蔽效果,提出在测压仪光窗内表面通过特殊处理,增加一层由ITO材料制作的电磁屏蔽薄膜[13]。根据增加电磁屏蔽薄膜后测压仪中的各材料参数建立对应仿真模型并进行电磁屏蔽性能分析,图8为增加电磁屏蔽薄膜后屏蔽效果图。

图8 光窗表面附着屏蔽薄膜后屏蔽效果图

由图8可知在施加相同高频电磁场的条件下得到端盖处的仿真结果,磁场强度的最大值(01418H)与开窗前较接近,屏蔽效果较好。

4 模拟膛压数据分析

4.1 模拟膛压发生装置

用模拟膛压发生器来产生与实际火炮发射相似的发射环境,使用光触发电子测压仪与标准测试系统共同进行测试分析,验证光触发电子测压仪的整体性能和测试数据的可靠性。试验时将定量的发射药在模拟膛压发生器中的膛内点燃,产生类似火炮发射时膛内压力变化过程。光触发电子测压仪安装在膛内底部与标准压力传感器测试同一信号。如图9为模拟膛压发生器装置与测试原理框图。

4.2 测试数据可靠性分析

模拟膛压发生器中标准测试系统是由3只标准压力传感器、电荷放大器、数据采集系统组成,其采集速率非常高,可以认为3只标准传感器采集的压力数据在时间序列上是一致的。某次试验标准测试系统通道ch1、ch2、ch3得到的3组数据为Pi、Xi、Gi,图10为标准系统测得的压力曲线。

(1)

根据相关性的定义,相关系数ρ的取值范围0≤ρ≤1,越接近1两者的相关性越高,当等于1时两条曲线重合[14]。

图9 模拟膛压发生器装置与测试原理框图

根据相关系数计算公式(1)对3组数据两两进行相关性分析,得到3组数据的相关系数如表3所示。

表3 3组数据两两相关系数

由表3中的3组数据两两之间的相关系数可得3组波形曲线相似程度极高,又因标准测试系统所用传感器与电荷放大器均为校准级别仪器,则可认为测得压力数据为校准级别压力数据。

选取试验中测压仪测得压力数据与标准压力数据进行相关性分析。图11为标准压力曲线Pi与测压仪测得压力曲线Yi。

图11 标准压力曲线与测压仪测得压力曲线

由图11可以看出,在压力的下降段标准压力与测压仪测得压力出现微小差值,这是由测压仪的壳体一体化传感器弹性形变恢复延时引起的差值。根据相关性定义图11中的两曲线的相关系数为0.979 638,对随机选取的10组试验数据进行相关性分析,光触发电子测压仪测得压力曲线与标准压力曲线相关性均在0.97以上。由上述分析可知光触发电子测压仪测得的膛压数据满足精确测量要求且测得数据准确可靠。

5 结论

文本介绍了光触发电子测压仪原理,利用有限元仿真软件对增加光窗的测压仪端盖和测压仪整体的抗压强度进行仿真与分析;分析了测压仪端盖增加光窗对其电磁屏蔽性能的影响,提出改善光触发电子测压仪电磁屏蔽性能的方法;使用模拟膛压发生器对测压仪测试性能进行检验,通过对测得的试验数据进行相关性分析,验证了光触发电子测压仪测得的压力数据准确性;同时文中所使用的分析方法可为新型仪器抗压强度和可靠性分析提供借鉴。