高g值加速度動(dòng)態(tài)線性測(cè)試沖擊方法仿真分析研究*

王艷陽,石云波*,康 強(qiáng),王 華,楊 陽(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 00051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 00051;.火箭軍駐7171廠軍事代表室,西安 710100)

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高g值加速度動(dòng)態(tài)線性測(cè)試沖擊方法仿真分析研究*

王艷陽1,2,石云波1,2*,康 強(qiáng)1,2,王 華1,2,楊 陽3
(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.火箭軍駐7171廠軍事代表室,西安 710100)

高g值加速度傳感器動(dòng)態(tài)線性測(cè)試描述了傳感器的輸入、輸出以及頻率三者之間的關(guān)系,反映了在某一特定頻率下傳感器的線性特性?；诨羝战鹕瓧U校準(zhǔn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)線性測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是通過實(shí)現(xiàn)內(nèi)彈外彈兩粒彈丸的同步撞擊,以此來實(shí)現(xiàn)兩子彈作用于桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同,實(shí)現(xiàn)加速度傳感器動(dòng)態(tài)線性測(cè)試。本文基于動(dòng)態(tài)線性測(cè)試方法,對(duì)子彈的同步撞擊方法與子彈形狀進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外彈的同速異步撞擊;將用于動(dòng)態(tài)線性測(cè)試的內(nèi)外彈綁定和改變內(nèi)外彈截面積對(duì)第1次壓縮波基本沒有影響;該結(jié)論為利用霍普金森桿做加速度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)提供了理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

高g值;霍普金森桿;動(dòng)態(tài)線性;同步撞擊;ANSYS/LS-DYNA軟件

隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,基于MEMS技術(shù)的微傳感器越來越受到人們的關(guān)注。在這個(gè)領(lǐng)域中,高g值加速度計(jì)是MEMS技術(shù)用于引信侵徹過程慣性測(cè)試與控制的重要體現(xiàn)之一[1]。霍普金森桿作為模擬高g值沖擊加載環(huán)境已被廣泛地應(yīng)用,特別是在高g值加速度傳感器的研究和使用過程中[2-3]。加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性描述了輸入、輸出、頻率三者之間的關(guān)系,反映了特定頻率下傳感器的線性特性,可以作為評(píng)定加速度計(jì)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對(duì)于動(dòng)態(tài)特性的研究,在滿足一定條件的動(dòng)態(tài)線性范圍內(nèi)對(duì)加速度傳感器動(dòng)態(tài)線性進(jìn)行測(cè)試是頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)。因此,對(duì)高g值加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性測(cè)量方法的研究具有重要意義[4]。

目前在國(guó)內(nèi)還沒有將動(dòng)態(tài)線性作為評(píng)價(jià)微加速度計(jì)的一項(xiàng)性能指標(biāo),微加速度計(jì)動(dòng)態(tài)線性的測(cè)量方法還是空白[5-6]。國(guó)外雖已將動(dòng)態(tài)線性作為衡量微加速度計(jì)優(yōu)劣的一項(xiàng)性能指標(biāo),但其測(cè)量方法未見相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道。基于彈性波疊加原理,中北大學(xué)提出了雙彈頭霍普金森桿校準(zhǔn)理論及實(shí)驗(yàn)方案。利用雙彈頭對(duì)加速度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)線性測(cè)試,試驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵部分是對(duì)用于發(fā)射的同心子彈同速異步撞擊得到同頻的加速度脈沖。仿真及試驗(yàn)得到子彈的同速異步撞擊在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)。可以用內(nèi)外彈綁定的方式來得到同頻的加速度信號(hào)而且理論和試驗(yàn)仿真分析得到將子彈綁定和改變兩子彈截面積對(duì)第1次壓縮波基本沒有影響;該結(jié)論為利用霍普金森桿做加速度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)提供了理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 雙彈頭霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng)

1.1 雙彈頭霍普金森桿

雙彈頭霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行基于雙彈頭的高g值加速度傳感器動(dòng)態(tài)線性測(cè)試。

圖1 雙彈頭霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖2 同心子彈(內(nèi)外彈)實(shí)物圖

1.2 動(dòng)態(tài)線性定義

動(dòng)態(tài)線性度反映了傳感器輸入值、輸出值、頻率三者之間的關(guān)系,是用來表示傳感器線性工作區(qū)間內(nèi)信號(hào)頻率與輸入幅值間關(guān)系的一項(xiàng)指標(biāo)[6]。利用雙彈頭霍普金森桿測(cè)量加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性。將待測(cè)加速度計(jì)安裝在標(biāo)定桿的安裝端面,兩個(gè)同心子彈(內(nèi)、外彈(圖2))分別單獨(dú)或同時(shí)從發(fā)射膛(圖3)發(fā)射。作用于桿的沖擊端面,在桿中產(chǎn)生應(yīng)力波,沿桿傳播到安裝端面加速度計(jì),使其產(chǎn)生沖擊加速度信號(hào)。該信號(hào)為近似半正弦加速度脈沖。

圖3 霍普金森桿發(fā)射膛

若加速度計(jì)的輸入加速度分別為X1(t)和X2(t)時(shí),來自目標(biāo)加速度計(jì)的輸出信號(hào)分別為Y1(t)和Y2(t)。如果當(dāng)加速度計(jì)的輸入加速度是aX1(t)+bX2(t)時(shí),其中a和b是任意常數(shù),來自加速度計(jì)的輸出為:aY1(t)+bY2(t),那么該加速度計(jì)是動(dòng)態(tài)線性的[7]。

當(dāng)兩子彈分別單獨(dú)與霍普金森桿相撞時(shí),加速度峰值分別記為a1、a2,測(cè)得加速度計(jì)對(duì)應(yīng)的輸出加速度峰值分別為A1、A2;保持同樣發(fā)射氣壓,控制兩子彈同時(shí)與霍普金森桿相撞,使兩子彈作用于桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同且峰值分別為a1、a2,使被測(cè)加速度計(jì)感知到峰值為a1+a2的沖擊加速度脈沖,加速度計(jì)輸出的加速度峰值為A1+2,于是求得Δ=(A1+A2)-A1+2,通過觀察Δ是否在要求的精度范圍內(nèi)來評(píng)價(jià)被測(cè)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性,從而對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。

當(dāng)子彈撞擊金屬桿的一個(gè)端表面時(shí),生成彈性脈沖,傳播到另一端面并發(fā)生反射。此過程中位于遠(yuǎn)離沖擊端表面的桿中的彈性波是平面波,沖擊加速度a(t)在反射過程中產(chǎn)生,可通過以下的公式表達(dá)[8]:

(1)

用符號(hào)a來表示目標(biāo)加速度計(jì)獲取的沖擊加速度,那么存在以下表達(dá)式:

(2)

(3)

(4)

只要應(yīng)力波的應(yīng)變沒有使桿的材料發(fā)生線性形變,根據(jù)彈性波疊加原理,以下等式成立:

(5)

(6)

如果用符號(hào)α來表示來自目標(biāo)加速度計(jì)的輸出信號(hào),加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性可以通過下面的表達(dá)式來定義[9-11]:

(7)

如果σ的平均值在所要求的精度范圍內(nèi)(5%以內(nèi)),則我們認(rèn)為加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)線性良好[12]。

2 方案設(shè)計(jì)及論證

根據(jù)動(dòng)態(tài)線性測(cè)試要求,雙彈頭霍普金森桿測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)傳感器測(cè)試過程中一個(gè)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)是控制內(nèi)外彈與霍普金森桿相撞,使兩子彈作用于桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外彈兩粒彈丸以相同的速度不同時(shí)與標(biāo)定桿相撞(同速異步)。為了實(shí)現(xiàn)加速度的同速異步撞擊標(biāo)定,我們擬采用以下方案:在子彈遠(yuǎn)離沖擊端處用螺絲固定兩彈的相對(duì)位移,如圖4所示。

圖4 將同心子彈(內(nèi)外彈)綁定示意圖

圖5 內(nèi)彈沖擊標(biāo)定桿的信號(hào)圖

在單獨(dú)沖擊內(nèi)彈或者外彈時(shí),將兩彈之間錯(cuò)開4 mm,并在遠(yuǎn)離沖擊端用螺絲固定兩彈相對(duì)位置。圖5～圖7是采用這種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 外彈沖擊標(biāo)定桿的信號(hào)圖

圖7 雙彈沖擊標(biāo)定桿的信號(hào)圖

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用螺絲固定子彈相對(duì)位置得到的波形是比較穩(wěn)定的。因此用該方式進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。我們采用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)一步探究螺絲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。分別對(duì)兩彈固定和不固定的情況進(jìn)行模擬,以探究螺絲固定對(duì)子彈沖擊加速度信號(hào)的影響。

3 仿真分析

由于采用螺絲固定內(nèi)彈和外彈兩子彈位置得到的輸出波形是比較穩(wěn)定,為了進(jìn)一步研究?jī)?nèi)外彈相對(duì)位置固定與不固定的對(duì)子彈加速度沖擊信號(hào)產(chǎn)生的影響,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真。由于子彈截面積小于標(biāo)定桿的截面積,應(yīng)力波在標(biāo)定桿端面很顯然不是一維應(yīng)力波,所以仿真過程對(duì)不同截面積子彈也進(jìn)行了仿真。模擬中對(duì)不同橫截面積的子彈的沖擊模擬,橫截面積的改變將導(dǎo)致子彈沖擊標(biāo)定桿應(yīng)力值的改變。將內(nèi)彈直徑改為11.14 mm,外彈內(nèi)徑為11.2 mm。內(nèi)彈橫截面積占子彈橫截面積的35%,外彈橫截面積占65%。然后進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

仿真中,子彈的材質(zhì)是45#鋼,標(biāo)定桿的材料為鈦合金,標(biāo)定桿的直徑為30 mm,長(zhǎng)度1.1 m。外彈直徑19 mm,內(nèi)外彈的長(zhǎng)度都是30 mm,子彈速度為15 m/s,輸出信號(hào)來自于標(biāo)定桿中點(diǎn)的應(yīng)變[9]。

3.1 模擬數(shù)值仿真

①按照材料屬性及材料參數(shù)表1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

表1 材料參數(shù)表

②模擬情況說明

由于泊松比的影響,子彈壓縮后橫截面積會(huì)變大,因而內(nèi)彈的直徑略小于外彈的內(nèi)徑[10]。模擬中要對(duì)內(nèi)彈和外彈遠(yuǎn)離撞擊端面處進(jìn)行兩點(diǎn)綁定,以內(nèi)彈撞擊標(biāo)定桿為例,綁定點(diǎn)設(shè)在內(nèi)彈遠(yuǎn)離撞擊端面處4 mm。仿真模型及綁定點(diǎn)設(shè)置如圖8和圖9所示。

圖8 對(duì)綁定子彈進(jìn)行沖擊仿真

圖9 綁定點(diǎn)示意圖

圖10 應(yīng)力傳播圖

3.2 仿真結(jié)果分析

截面相同的子彈,以兩彈綁定,內(nèi)彈沖擊標(biāo)定桿,圖10應(yīng)力傳播圖是應(yīng)力剛開始傳播時(shí)的標(biāo)定桿應(yīng)力云圖。

當(dāng)波傳播45 μs時(shí),應(yīng)力波傳播至沖擊端60 mm處,取單元長(zhǎng)度局部放大,如圖11,此時(shí)最大軸向應(yīng)力為117.6 MPa,最小軸向應(yīng)力為111.9 MPa,相差4.8%。此時(shí)可以認(rèn)為應(yīng)力已經(jīng)均勻。

圖11 應(yīng)力傳播局部放大圖

輸出標(biāo)定桿中點(diǎn)的應(yīng)變對(duì)比結(jié)果。

圖12 相同截面的子彈沖擊標(biāo)定桿中點(diǎn)應(yīng)變圖

由應(yīng)變圖圖12可以看出,在遠(yuǎn)離沖擊端綁定內(nèi)彈與外彈后,并不影響第1個(gè)壓縮波,也就是說不影響加速度脈沖。以內(nèi)彈沖擊標(biāo)定桿為例,綁定兩彈時(shí),外彈的沖擊波緊跟著內(nèi)彈的沖擊波由綁定點(diǎn)傳遞到標(biāo)定桿上。解除綁定后,內(nèi)彈撞擊標(biāo)定桿后,外彈在大約0.2 ms以后撞擊到標(biāo)定桿上。

截面不同的子彈討論標(biāo)定桿中的應(yīng)力均勻性。圖13是應(yīng)力剛開始傳播時(shí)的標(biāo)定桿應(yīng)力云圖。

圖13 應(yīng)力傳播圖

圖14 應(yīng)力傳播局部放大圖

在傳播25 μs時(shí),應(yīng)力波傳播至距離桿沖擊端50 mm處,應(yīng)力開始趨于均勻。這時(shí),距離沖擊端50 mm處的桿中軸向應(yīng)力最大值為92.39 MPa,最小值為84.96 MPa。相差8%。

當(dāng)波傳播35 μs時(shí),應(yīng)力波傳播至沖擊端70 mm處,此時(shí)最大軸向應(yīng)力為89.45 MPa,最小軸向應(yīng)力為83.85 MPa,相差6.3%。

當(dāng)波傳播55 μs時(shí),應(yīng)力波傳播至沖擊端120 mm處,取單元長(zhǎng)度局部放大,如圖14所示,此時(shí)最大軸向應(yīng)力為85.18 MPa,最小軸向應(yīng)力為80.55 MPa,相差5.4%,可以認(rèn)為此時(shí)標(biāo)定桿中應(yīng)力已經(jīng)均勻。

輸出標(biāo)定桿中點(diǎn)的應(yīng)變對(duì)比結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同截面的子彈沖擊標(biāo)定桿中點(diǎn)應(yīng)變圖

由以上分析可以看出:改變子彈橫截面積之后,綁定對(duì)第1次壓縮波仍舊基本沒有影響,但是外彈沖擊標(biāo)定桿的應(yīng)力波幅值明顯減小,內(nèi)彈沖擊標(biāo)定桿的應(yīng)力波幅值增大。

4 結(jié)論

動(dòng)態(tài)線性測(cè)試描述了高g值加速度傳感器輸入、輸出、頻率三者之間的關(guān)系,反映了特定頻率下傳感器的線性參數(shù)?；诨羝战鹕瓧U校準(zhǔn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)線性測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)某一特定頻率下對(duì)加速度傳感器校準(zhǔn)。本文針對(duì)動(dòng)態(tài)線性測(cè)試方法,對(duì)子彈的同步撞擊實(shí)現(xiàn)方法以及不同子彈截面積下的子彈同步撞擊進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:改變子彈橫截面積并將內(nèi)外彈綁定對(duì)第1次壓縮波基本沒有影響;應(yīng)力波的幅值會(huì)受內(nèi)外彈截面積影響。

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王艷陽(1991-),男,漢族,碩士研究生,主要從事MEMS高量程加速度傳感器設(shè)計(jì)、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),傳感器測(cè)試等方面的研究,379228402@qq.com;

石云波(1972-),男,漢族,博士,中北大學(xué)教授,目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究,參加了國(guó)防973、國(guó)家863、國(guó)家自然基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目,獲得山西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)內(nèi)發(fā)明專利4項(xiàng),y.b.shi@126.com。

The Impact Study of Dynamic Lineartest Method for High-gAcceleration*

WANG Yanyang1,2,SHI Yunbo1,2*,KANG Qiang1,2,WANG Hua1,2,YANG Yang3
(1.Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology(North University of China)Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumental Science and Dynamic Measurement(North University of China)Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;3.Military Representatives Office of the Rocket Troops in 7171,Xi’an 710100,China)

High g dynamic linear acceleration sensor test describes the relationship between input,output and frequency of the sensor between the three,reflecting the linear characteristic at a particular frequency of the sensor. Based on a key technology Hopkinson bar system dynamic linear calibration tests by implementing internal Bomb bomb two synchronous projectile impact,in order to achieve two bullets in the role of shock acceleration pulse rod same frequency,dynamic linear acceleration sensor test. Based on dynamic linear test method,the synchronization methods and the bullet hit a bullet shape of the simulation and experimental study. The results show that:the laboratory was unable to achieve internal and external shells hit the same speed asynchronous;will be used for dynamic testing of internal and external linear elastic bindings and change internal and external elastic cross-sectional area of the first wavelet compression does not affect the present;this conclusion for the use of Hopkinson Bar do dynamic acceleration sensor calibration provides a theoretical basis and practical basis.

high g,hopkinson bar,dynamics linear,simultaneous strike,ANSYS/LS-DYNA

項(xiàng)目來源:集成硅基納米光波導(dǎo)慣性期間基礎(chǔ)研究(512250342)

2016-08-16 修改日期:2016-12-03

TP393

A

1004-1699(2017)04-0560-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.013