測試火炮在膛內(nèi)、飛行和撞擊目標時的各種動態(tài)參數(shù)是獲取研制和改進火炮系統(tǒng)中重要數(shù)據(jù)的必要手段。我國自行研制的火炮因缺少這些動態(tài)數(shù)據(jù)而給研制和改進工作帶來諸多困難。火炮膛壓測試要求測試儀器體積必須小于藥室容積的2．5％，而目前的測試儀器不能滿足小口徑膛壓測試。為減小測試儀器體積，利用存儲技術(shù)設(shè)計出一種應變片式測試儀。這種測試儀能夠滿足中小口徑火炮膛壓測試要求，為研制各種新型火炮、彈藥、引信系統(tǒng)提供有效的測試手段，具有廣泛的民用推廣價值。
2 系統(tǒng)工作原理
圖1給出應變式測試儀結(jié)構(gòu)。它由高強度彈性體、電阻應變片、電路模塊等構(gòu)成。彈性體感受到被測量時．產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應變，而粘貼在彈性體與表面的電阻應變片構(gòu)成測試儀的傳感器，它將隨彈性體的變形而產(chǎn)生應變．即隨電阻應變片的電阻值產(chǎn)生相應變化。這樣，通過測量電阻應變片的電阻值變化來確定被測量值。待確定被測量值后，電路模塊完成數(shù)據(jù)采集和存儲。
3 測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計
應變式測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的元件是感受外壓的敏感彈性體及高強度簡體。彈性體設(shè)計必須滿足：一是貼片部位的應力要與被測力保持嚴格的對應關(guān)系：二是貼片部位應具有較高的應力。簡體設(shè)計除考慮與彈性體的連接外，還必須分析其受力情況，在保證其強度的情況下，應使筒體的壁厚最薄，體積最小，這樣就能使測試儀的體積達到最小。
3．1 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計
應變式測試儀通過電阻應變片測量彈性體上貼片部位的應變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應力與被測力保持嚴格的對應關(guān)系，實際上就是保證在測試儀受力時，彈性體上貼片部位的應變按某一規(guī)律分布。在實際應用中，影響彈性體貼片部位應變分布的較大因素主要是彈性體受力條件的變化。對于測試儀，在承載強度足夠的條件下，若將彈性體貼片部位周圍未貼片部分挖空。使得應力只能在未挖空的部位分布，或者通過局部削弱彈性體，造成局部的應力集中，這兩種操作都能使電阻應變片粘貼處的應力高于其他部位的應力水平。圖2給出設(shè)計的彈性體結(jié)構(gòu)。
由于彈性體結(jié)構(gòu)為變截面的厚板，由厚板變形理論分析可知，在r=0處，X向應力與Y向應力相等，切向應變與徑向應變基本相等，而且具有正的最大值。采用ANSYS軟件分析其在500 MPa外壓條件下的應變，如圖3所示。由圖可見，彈性體在r=0處的應變最明顯。因此，電阻應變片要粘貼在中心。
利用ANSYS軟件對彈性體施加不同壓力時，仿真得出彈性體貼片處在不同外壓下的應變。利用仿真應變數(shù)據(jù)畫出圖4所示貼片部位的應變與外壓關(guān)系。由圖4可得。彈性體貼片處的應變按線性規(guī)律分布。
3．2 簡體設(shè)計分析
圖5給出簡體受壓作用圖。
當簡體受外壓時，它的彈性變形應力為：
式中：ri為圓筒內(nèi)半徑；re為圓筒外半徑；r為計算應力點的徑向坐標；pe為外壓。
Mises的屈服條件為：
根據(jù)Mises屈服條件，當該最大應力達到屈服應力時，內(nèi)壁進入塑性狀態(tài)。設(shè)外壓最大為pEL，則有：
由式(6)中ri與re的關(guān)系，可設(shè)計出最大外壓下，簡體既處于彈性變形內(nèi)，又使其體積最小的ri與re的值。
4 結(jié)語
通過對應變測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計分析．提出了一種在電路模塊體積已確定時，測試儀體積達到最小的設(shè)計方案。該設(shè)計優(yōu)點在于利用測試儀殼體作為應變式傳感器的敏感器件．這樣既大大縮減測試儀安裝壓電傳感器的空間．又提供最小體積的簡體。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案有較好的實用性，使測試儀體積至少減小5～10 m3。
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