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引信双环境力模拟试验系统发射压力计算分析

时间:2018-09-11 21:08作者:admin打印字号:

Calculation Analysis on the Emission Pressure of Two Environmental Forces  Simulative  Experimental  System  for  Fuse
 
DING Qing–xin,SUN Guang-bin
 
(中国石油大学(北京) 机电工程学院,北京 102249)
 
摘要:引信双环境力模拟试验系统用来模拟引信在高转速和高冲击加速度下的工作状态,其中引信的冲击过载是通过高压气体推动冲击块碰撞获得的。本文根据碰撞过程建立物理模型,推导高压气体发射压力计算式,最后定性分析了为提高系统的安全性而降低压力的各种影响因素。
关键字:引信;高压气体;发射压力;碰撞
  1. 前言
受科学技术发展的推动,兵器技术中的引信技术在不断地更新换代,但同时在引信的研制中还要从国情出发,在有限的经费情况下,保证高质量、短周期,因此引信模拟技术越来越受到重视。
引信模拟技术很早就诞生了,如振动试验、震动试验、跌落试验、冲击试验、离心试验和旋转试验等[1]。针对引信冲击与旋转试验,设计一双环境力的模拟试验系统,该系统用电池模拟引信在高转速和高冲击加速度下的工作状态,其中电池获得高加速度是通过储气室内的高压气体推动冲击块撞击电池来实现的,要保证冲击后电池获得预期的加速度,储气室内的气压值必须精确计算,因此,合理设计冲击过程物理模型,推导冲击加速度与发射压力的数学关系式,是设计引信双环境力模拟试验系统的关键技术之一。   
  1. 模拟试验系统组成及原理
                              图1 模拟试验系统结构原理图
如图1所示,模拟试验系统由动力装置、发射冲击装置、旋转装置、信号采集装置组成。动力装置用来提供高压发射气源;发射装置的发射管内装有冲击块,高压气体排入发射管后可推动冲击块快速射出;旋转装置的高速电主轴内装有电池,电主轴带动电池高速旋转,用来模拟引信的高速旋转状态,同时从发射管射出的高速冲击块碰撞电池,用来模拟引信的过载冲击,这样就实现了引信双环境力的模拟;高速旋转的电池被冲击后的状态信息采集主要由信号采集装置完成。
系统关键部分是增加有高压储气室,高压气室的目的是为了使冲击块能够加速到较大的碰撞速度,以碰撞时的前冲加速度尽可能模拟引信过载。
  1. 碰撞过程的实现

                   图2  模拟引信过载结构示意图
如图2所示,对于引信双环境力模拟试验系统,为使电池获较得高加速度,系统采用活塞式高加速度冲击块,由高速运动的冲击块冲击电池试件而产生超高过载以激活电池 试验系统开始工作前,发射阀处于关断位置,高压气源提供高压空气输入到储气室,当压力达到要求的压力时,高压气源停止供气。当试验台电机起动并运行到一定条件,控制系统发出指令,发射阀打开,高压气体迅速排入发射筒,气体推动冲击块做功,冲击块速度由零开始瞬间加速,当冲击块脱离发射管时的瞬间速度达到最大,冲击块与电池做碰撞后,电池获得高冲击加速度。
  1. 碰撞过程理论分析
碰撞理论分析即简化工程分析,其特点是对碰撞过程加以简化和假设,运用数学工具和物理定律(质量守恒、动量守恒和能量守恒)建立分析模型以求解需要的参数[2]
碰撞是一种复杂的物理现象,其持续时间极其短促,在这短暂的时间内,由于巨大的碰撞力使物体各质点产生了极大的加速度,相撞物体的速度发生了突变。但由于碰撞力的变化规律难以测定,所以根据力的变化规律研究物体在碰撞过程中的运动状态是困难的,因此一般不用力来量度碰撞的作用,这里用动量守恒定律研究碰撞的作用。

       图3  碰撞过程物理模型
如图3所示,建立储气室气体推动冲击块撞击电池夹具的物理模型,储气室体积为,发射管长度为L,半径为R,体积为, 质量块表示冲击块,质量块表示被冲击电池。
  储气室气体在释放前,气体的体积,压强为,当发射阀打开,气体释放,对质量块做功,气体体积不断增加,增加的部分用表示,压强逐渐减小,用表示,气体对质量块属于变力做功
               (1)
式中 —长管长度,
—发射管半径
假设气体推动冲击块运动可视为理想气体的绝热膨胀过程,因此这一过程满足理想气体状态方程和绝热过程方程[3][4]    


                                (2)
将式(2)带入式(1),气体对做的功
           (3)
质量块被高压气体推出发射管的过程中,只有气体压力对做功,设质量块在运动到长管口一瞬间的速度为
                    (4)
质量块脱离长管,与质量块发生碰撞,组成的质点系,碰撞力为内力,非碰撞力不必考虑,无外碰撞冲量,故碰撞前后质点系动量守恒[5],同时假设
(1)、整个碰击过程为同轴碰撞;
(2)、电池夹具的旋转对碰撞不产生任何影响;
(3)、在碰撞过程中不受空气阻力的影响。
设碰撞后质量块静止,质量块的速度为

所以
                       (5) 
式中           
质量块速度由零加速到,则
                       (6)
   式中 —碰撞过载加速度
        —碰撞时间
综合式(3)(4)(5)(6)得:
     (7)
储气室发射压力的数学表达式
            (8)
从式(8)可知当储气室的体积,发射管长度、直径,冲击块的质量,冲击时间确定后,电池获得预期冲击加速度所需气压值就可确定。
  1. 软件设计及计算结果分析
     在实际计算中,由于式中含有积分式,手工计算比较复杂,为节省时间,提高计算精度,采用VB开发储气室发射压力计算软件。软件界面如图4所示,计算参数一栏输入储气室体积,发射管长度、直径,碰撞加速度、碰撞时间等参数值,便可快速的计算出储气室压力值,为模拟系统的设计提供参考依据。

图4  发射压力计算界面
模拟试验设计发射管直径60mm,冲击行程(发射管长度)1m,碰撞后预期产生10000g的过载加速度。表1中列出了在不同的冲击块质量、冲击时间下,储气室容积所对应的压力值。
 

储气室容积/L

冲击块质量/kg

冲击时间/ms

储气室压力/MPa

250

1.5

1

6.23

100

1.5

1

6.28

50

1.5

1

6.37

10

1.5

1

7.03

5

1.5

1

7.82

250

1

1

4.15

100

1

1

4.18

50

1

1

4.25

10

1

1

4.69

5

1

1

5.21

250

1.5

0.5

1.56

100

1.5

0.5

1.57

50

1.5

0.5

1.59

10

1.5

0.5

1.75

5

1.5

0.5

1.96

表1   储气室压力计算值 
  根据表1压力计算值,可得出以下结论:          
(1)、冲击块质量1.5kg、碰撞时间1ms,预期获得10000g冲击加速度所需发射压力的变化趋势是随储气室体积的增大而降低,在设计模拟装置时,可通过调整储气室体积来保证试验系统的安全性。
(2)、在(1)的基础上将冲击块的质量降低0.5kg,预期获得10000g冲击加速度所需储气室气压值降低,因此通过适当减小冲击块质量来降低储气室内的气压值。
(3)、在(1)的基础上将碰撞时间降低0.5s,预期获得10000g冲击加速度所需储气室气压值降低,且降幅较大,大约5MPa左右,因此通过调整冲击块碰撞电池的时间来降低储气室发射压力是一种非常有效的途径。
  1. 结论
在双环境力模拟试验系统工作过程中,需要对不同的引信电池进行测试,其要求的过载也不尽一致,这就要求对于不同的引信电池采用不同的冲击加速度。该要求可以通过控制驱动活塞的储气室气压值来满足,具体实现过程是根据发射压力计算软件计算气压值,再进行大量的实验,修正计算结果,校准后,准确实现被测电池不同的过载加速度。
经计算(见表1),可得出碰撞系统在10 MPa以下工作压力下完全能够满足10000g冲击加速度的要求,且10MP的压力不属于高压的范畴,保证了模拟系统的可行性和安全性,同时在设计系统时也可通过调整储气室体积、冲击块质量、碰撞时间来降低发射压力。
 
参考文献
[1]关于引信模拟试验代替(减少)靶场试验的探讨[J].兵器工业部二一二所第一研究,1982.1-27.
[2]李艳.高冲击测试实验技术研究[D].太原,中北大学,2008,18-22.
[3]土金贵.气体炮原理及技术[M],北京,国防工业出版社,2001.
[4]金志明,袁亚雄.内弹道气动力学原理[M].北京,国防工业出版社,1983.
[5]土月梅.理论力学[M],北京,兵器工业出版社,1996.
 
 
基金项目:北京市机械设计及理论重点学科建设项目
作者简介:丁庆新(1960—),男,黑龙江泰来县人,教授,高级工程师,硕士,主要从事机电一体化方面的科研和教学工作。

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