彈底過載存儲記錄儀*

尤文斌，丁永紅，祖 靜 ，張晉業

(1電子測試技術重點實驗室，太原 0 30051;2中北大學信息與通信工程學院，太原 0 30051;3晉西集團技術中心，太原 0 30027)

0 引言

火炮發射的復雜性決定了研究內彈道問題時必須通過試驗獲取最根本最直接的膛內過載特性和規律[1]，隨著以高膛壓、高初速和高裝填密度為特征的高性能火炮技術的發展，火炮發射時的膛內過載問題顯得尤為重要。中大口徑火炮膛內參數測量，具有測試環境惡劣條件不易控制等特點，一直以來是內彈道測試的難點[2]。當前采用的方法主要為存儲式電測法[3]，該方法將裝置安裝在彈丸底部記錄加速度時間曲線。但目前還存在采樣頻率低、體積大、抗沖擊能力弱的問題。

記錄儀中電路模塊的抗沖擊能力是測試能否成功的關鍵。當前采用泡沫鋁、橡膠等材料作為整個裝置的緩沖材料應用于高沖擊侵徹測試中[4－5]，但火炮膛內測試中由于高溫、高壓、高沖擊、狹小空間不適合對采用記錄儀整體緩沖。為此，提出在記錄儀內部電路模塊與外殼之間采用橡膠作為電路模塊的緩沖材料，設計了一種能抗高過載微小型存儲測試儀。

1 緩沖力學模型及仿真

火炮發射過程中，彈丸在膛內及出炮口時會承受幾萬個重力加速度的沖擊。沖擊應力波會使測試裝置受壓變形，灌封后的電路會產生裂紋甚至斷裂，從而導致測試過程的失敗。緩沖的目的就是為了將沖擊脈沖展寬，從而使幅值降低。

1.1 緩沖模型

假設電路模塊的質量為m，并以V0的速度撞擊剛性板，從而產生一定的過載，膠皮受壓縮變形，整個壓縮過程都在彈簧的線性彈性范圍內，則由能量守恒定理及虎克定理可求得電路模塊所受到最大位移Xm及最大加速度am。

由公式可知:1)在彈性系數和初速不變的情況下，最大位移量與成正比，最大加速度與成反比。2)在空間有限的條件下Xm有限，微型化測試裝置可以降低對緩沖材料的要求。

1.2 力學模型ANSYS仿真

橡膠是一種廣泛用于隔離振動和吸收沖擊的緩沖材料。它具有小彈性模量、高彈性和高強度的結構特性。它的剪切彈性模量G一般為1MPa左右，而體積彈性模量K為103MPa左右[6]。

橡膠采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料參數為:密度 ρ=1.12g/cm3，泊松比 v=0.27，楊氏模量E=1.04GPa，厚度L=4mm。記錄儀電路模塊質量為38g，電路采用環氧樹脂灌封。

采用ANSYS建立的電路殼體緩沖的模型如圖1所示。電路模塊外殼采用橡膠包裹，記錄儀外殼簡化為剛性板，最大應力出現在圖中S58的網格處。將電路殼體以一定速度撞擊剛性板，得到無膠皮緩沖的應力云如圖2所示，應力峰值達到80MPa;得到具有膠皮緩沖的應力云如圖3所示，應力峰值僅達到0.12MPa。

圖1 仿真模型

仿真表明，采用膠皮能有效減小加速度沖擊對電路外殼的應力，能滿足電路在膛內和出炮口時的加速度沖擊的緩沖要求。

2 記錄儀組成與實現

2.1 系統組成

記錄儀的原理如圖4所示，由傳感器、適配電路、A/D變換器、CPLD+MCU控制單元、FIFO+Flash存儲單元、USB讀數口、電源組成。

2.2 系統實現

圖5 為記錄儀結構圖。加速度傳感器與外殼采用還氧樹脂灌封，形成剛性連接。

加速度傳感器選用上海微系統所生產的壓阻式HG-50k，量程為50000g。傳感器輸出信號經適配電路調理后轉換成適合A/D變換器的電壓信號。采樣頻率500kHz，分辨率 12bit，記錄容量4MByte。A/D變換器轉換的數據

由CPLD編碼生成2個字節的編碼依次寫入FIFO。MCU通過判斷FIFO和Flash的工作狀態來選擇讀取FIFO和數據存儲工作。

記錄儀記錄完畢后，計算機通過USB接口讀取存儲記錄的數據，并完成數據處理，以減少電路的體積和功耗。

圖5 記錄儀結構

3 實驗驗證

3.1 測試條件

將記錄儀安裝在155mm口徑火炮彈丸底部記錄彈丸過載底部加速度，如圖6所示。在4號裝藥常溫條件下獲取了測量數據。

3.2 實彈測試數據及分析

圖6 記錄儀安裝結構

圖7 為加速度傳感器感應彈丸在膛內軸向加速度的響應曲線。由圖可知，彈丸在擠進過程中存在10000g的振蕩過程，膛內軸向加速度峰值在 10.3ms處為12517g。在18.6ms處峰值出現31000g的劇烈振蕩為彈丸出炮口的響應。該試驗數據為解決該彈的結構問題提供了數據保證。

4 結論

利用嵌入式數據采集技術，使用單片機和CPLD作為主控芯片、高速FIFO作為緩存與NAND flash為存儲介質，以膠皮作為電路模塊的緩沖材料，設計了一種能抗高頻過載的微小型彈底過載存儲測試儀。該儀器使用更方便、靈活，為彈底加速度的可靠測試提供了一種新的測試儀器。

圖7 彈軸方向加速度曲線

[1]胡功笠，劉榮忠，齊愛東.動能彈侵徹鋼筋混凝土靶的試驗研究[J].彈箭與制導學報，2005，25(1):24－26.

[2]柳斌，肖劍，郭亞龍，等.大口徑火炮彈丸膛內參數測量方法研究[J].彈箭與制導學報，2010，30(1):167－169.

[3]沙龍.多層侵徹加速度及彈底壓力測試研究[D].太原:中北大學，2010.

[4]徐鵬，祖靜，范錦彪.高g值侵徹加速度測試及其相關技術研究進展[J].兵工學報，2011，32(6):739 －745.

[5]錢立志.彈載任務設備抗高過載方法研究[J].兵工學報，2007，28(8):1017 －1020.

[6]聞利群，魯建霞，張同來.泡沫鋁和橡膠對測試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究[J].彈箭與制導學報，2010，30(3):223－225.