高g值加速度動態線性測試沖擊方法仿真分析研究*

王艷陽,石云波*,康 強,王 華,楊 陽(1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 00051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 00051;.火箭軍駐7171廠軍事代表室,西安 710100)

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高g值加速度動態線性測試沖擊方法仿真分析研究*

王艷陽1,2,石云波1,2*,康 強1,2,王 華1,2,楊 陽3
(1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;3.火箭軍駐7171廠軍事代表室,西安 710100)

高g值加速度傳感器動態線性測試描述了傳感器的輸入、輸出以及頻率三者之間的關系,反映了在某一特定頻率下傳感器的線性特性。基于霍普金森桿校準系統動態線性測試的一個關鍵技術是通過實現內彈外彈兩粒彈丸的同步撞擊,以此來實現兩子彈作用于桿上的沖擊加速度脈沖的頻率相同,實現加速度傳感器動態線性測試。本文基于動態線性測試方法,對子彈的同步撞擊方法與子彈形狀進行了仿真與實驗研究。結果表明:實驗室無法實現內外彈的同速異步撞擊;將用于動態線性測試的內外彈綁定和改變內外彈截面積對第1次壓縮波基本沒有影響;該結論為利用霍普金森桿做加速度傳感器動態校準提供了理論基礎和現實依據。

高g值;霍普金森桿;動態線性;同步撞擊;ANSYS/LS-DYNA軟件

隨著MEMS技術的不斷進步與發展,基于MEMS技術的微傳感器越來越受到人們的關注。在這個領域中,高g值加速度計是MEMS技術用于引信侵徹過程慣性測試與控制的重要體現之一[1]。霍普金森桿作為模擬高g值沖擊加載環境已被廣泛地應用,特別是在高g值加速度傳感器的研究和使用過程中[2-3]。加速度計的動態線性描述了輸入、輸出、頻率三者之間的關系,反映了特定頻率下傳感器的線性特性,可以作為評定加速度計性能優劣的一項重要指標。對于動態特性的研究,在滿足一定條件的動態線性范圍內對加速度傳感器動態線性進行測試是頻率響應的基礎。因此,對高g值加速度計動態線性測量方法的研究具有重要意義[4]。

目前在國內還沒有將動態線性作為評價微加速度計的一項性能指標,微加速度計動態線性的測量方法還是空白[5-6]。國外雖已將動態線性作為衡量微加速度計優劣的一項性能指標,但其測量方法未見相關文獻的報道。基于彈性波疊加原理,中北大學提出了雙彈頭霍普金森桿校準理論及實驗方案。利用雙彈頭對加速度傳感器進行動態線性測試,試驗的一個關鍵部分是對用于發射的同心子彈同速異步撞擊得到同頻的加速度脈沖。仿真及試驗得到子彈的同速異步撞擊在實驗環境下無法實現。可以用內外彈綁定的方式來得到同頻的加速度信號而且理論和試驗仿真分析得到將子彈綁定和改變兩子彈截面積對第1次壓縮波基本沒有影響;該結論為利用霍普金森桿做加速度傳感器動態校準提供了理論基礎和現實依據。

1 雙彈頭霍普金森桿測試系統

1.1 雙彈頭霍普金森桿

雙彈頭霍普金森桿測試系統原理圖如圖1所示。實驗室應用該系統進行基于雙彈頭的高g值加速度傳感器動態線性測試。

圖1 雙彈頭霍普金森桿測試系統原理圖

圖2 同心子彈(內外彈)實物圖

1.2 動態線性定義

動態線性度反映了傳感器輸入值、輸出值、頻率三者之間的關系,是用來表示傳感器線性工作區間內信號頻率與輸入幅值間關系的一項指標[6]。利用雙彈頭霍普金森桿測量加速度計的動態線性。將待測加速度計安裝在標定桿的安裝端面,兩個同心子彈(內、外彈(圖2))分別單獨或同時從發射膛(圖3)發射。作用于桿的沖擊端面,在桿中產生應力波,沿桿傳播到安裝端面加速度計,使其產生沖擊加速度信號。該信號為近似半正弦加速度脈沖。

圖3 霍普金森桿發射膛

若加速度計的輸入加速度分別為X1(t)和X2(t)時,來自目標加速度計的輸出信號分別為Y1(t)和Y2(t)。如果當加速度計的輸入加速度是aX1(t)+bX2(t)時,其中a和b是任意常數,來自加速度計的輸出為:aY1(t)+bY2(t),那么該加速度計是動態線性的[7]。

當兩子彈分別單獨與霍普金森桿相撞時,加速度峰值分別記為a1、a2,測得加速度計對應的輸出加速度峰值分別為A1、A2;保持同樣發射氣壓,控制兩子彈同時與霍普金森桿相撞,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,使被測加速度計感知到峰值為a1+a2的沖擊加速度脈沖,加速度計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來評價被測加速度計的動態線性,從而對其進行標定。

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

(1)

用符號a來表示目標加速度計獲取的沖擊加速度,那么存在以下表達式:

(2)

(3)

(4)

只要應力波的應變沒有使桿的材料發生線性形變,根據彈性波疊加原理,以下等式成立:

(5)

(6)

如果用符號α來表示來自目標加速度計的輸出信號,加速度計的動態線性可以通過下面的表達式來定義[9-11]:

(7)

如果σ的平均值在所要求的精度范圍內(5%以內),則我們認為加速度計的動態線性良好[12]。

2 方案設計及論證

根據動態線性測試要求,雙彈頭霍普金森桿測試系統在對傳感器測試過程中一個測試關鍵技術是控制內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,實現內外彈兩粒彈丸以相同的速度不同時與標定桿相撞(同速異步)。為了實現加速度的同速異步撞擊標定,我們擬采用以下方案:在子彈遠離沖擊端處用螺絲固定兩彈的相對位移,如圖4所示。

圖4 將同心子彈(內外彈)綁定示意圖

圖5 內彈沖擊標定桿的信號圖

在單獨沖擊內彈或者外彈時,將兩彈之間錯開4 mm,并在遠離沖擊端用螺絲固定兩彈相對位置。圖5～圖7是采用這種方法的實驗結果。

圖6 外彈沖擊標定桿的信號圖

圖7 雙彈沖擊標定桿的信號圖

由上述實驗結果可以看出,采用螺絲固定子彈相對位置得到的波形是比較穩定的。因此用該方式進一步進行實驗探究。我們采用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬進一步探究螺絲對實驗結果的影響。分別對兩彈固定和不固定的情況進行模擬,以探究螺絲固定對子彈沖擊加速度信號的影響。

3 仿真分析

由于采用螺絲固定內彈和外彈兩子彈位置得到的輸出波形是比較穩定,為了進一步研究內外彈相對位置固定與不固定的對子彈加速度沖擊信號產生的影響,應用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真。由于子彈截面積小于標定桿的截面積,應力波在標定桿端面很顯然不是一維應力波,所以仿真過程對不同截面積子彈也進行了仿真。模擬中對不同橫截面積的子彈的沖擊模擬,橫截面積的改變將導致子彈沖擊標定桿應力值的改變。將內彈直徑改為11.14 mm,外彈內徑為11.2 mm。內彈橫截面積占子彈橫截面積的35%,外彈橫截面積占65%。然后進行數值模擬分析。

仿真中,子彈的材質是45#鋼,標定桿的材料為鈦合金,標定桿的直徑為30 mm,長度1.1 m。外彈直徑19 mm,內外彈的長度都是30 mm,子彈速度為15 m/s,輸出信號來自于標定桿中點的應變[9]。

3.1 模擬數值仿真

①按照材料屬性及材料參數表1進行實驗仿真。

表1 材料參數表

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變大,因而內彈的直徑略小于外彈的內徑[10]。模擬中要對內彈和外彈遠離撞擊端面處進行兩點綁定,以內彈撞擊標定桿為例,綁定點設在內彈遠離撞擊端面處4 mm。仿真模型及綁定點設置如圖8和圖9所示。

圖8 對綁定子彈進行沖擊仿真

圖9 綁定點示意圖

圖10 應力傳播圖

3.2 仿真結果分析

截面相同的子彈,以兩彈綁定,內彈沖擊標定桿,圖10應力傳播圖是應力剛開始傳播時的標定桿應力云圖。

當波傳播45 μs時,應力波傳播至沖擊端60 mm處,取單元長度局部放大,如圖11,此時最大軸向應力為117.6 MPa,最小軸向應力為111.9 MPa,相差4.8%。此時可以認為應力已經均勻。

圖11 應力傳播局部放大圖

輸出標定桿中點的應變對比結果。

圖12 相同截面的子彈沖擊標定桿中點應變圖

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

截面不同的子彈討論標定桿中的應力均勻性。圖13是應力剛開始傳播時的標定桿應力云圖。

圖13 應力傳播圖

圖14 應力傳播局部放大圖

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

當波傳播35 μs時,應力波傳播至沖擊端70 mm處,此時最大軸向應力為89.45 MPa,最小軸向應力為83.85 MPa,相差6.3%。

當波傳播55 μs時,應力波傳播至沖擊端120 mm處,取單元長度局部放大,如圖14所示,此時最大軸向應力為85.18 MPa,最小軸向應力為80.55 MPa,相差5.4%,可以認為此時標定桿中應力已經均勻。

輸出標定桿中點的應變對比結果如圖15所示。

圖15 不同截面的子彈沖擊標定桿中點應變圖

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

4 結論

動態線性測試描述了高g值加速度傳感器輸入、輸出、頻率三者之間的關系,反映了特定頻率下傳感器的線性參數。基于霍普金森桿校準系統動態線性測試的一個關鍵技術是實現某一特定頻率下對加速度傳感器校準。本文針對動態線性測試方法,對子彈的同步撞擊實現方法以及不同子彈截面積下的子彈同步撞擊進行了仿真與實驗研究。結果表明:改變子彈橫截面積并將內外彈綁定對第1次壓縮波基本沒有影響;應力波的幅值會受內外彈截面積影響。

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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計、電路系統設計,傳感器測試等方面的研究,379228402@qq.com;

石云波(1972-),男,漢族,博士,中北大學教授,目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究,參加了國防973、國家863、國家自然基金等多項科研項目,獲得山西省技術發明一等獎1項、高等學校科學技術一等獎2項、國內發明專利4項,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

項目來源:集成硅基納米光波導慣性期間基礎研究(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