弹底过载存储记录仪*

尤文斌，丁永红，祖 静 ，张晋业

(1电子测试技术重点实验室，太原 0 30051;2中北大学信息与通信工程学院，太原 0 30051;3晋西集团技术中心，太原 0 30027)

0 引言

火炮发射的复杂性决定了研究内弹道问题时必须通过试验获取最根本最直接的膛内过载特性和规律[1]，随着以高膛压、高初速和高装填密度为特征的高性能火炮技术的发展，火炮发射时的膛内过载问题显得尤为重要。中大口径火炮膛内参数测量，具有测试环境恶劣条件不易控制等特点，一直以来是内弹道测试的难点[2]。当前采用的方法主要为存储式电测法[3]，该方法将装置安装在弹丸底部记录加速度时间曲线。但目前还存在采样频率低、体积大、抗冲击能力弱的问题。

记录仪中电路模块的抗冲击能力是测试能否成功的关键。当前采用泡沫铝、橡胶等材料作为整个装置的缓冲材料应用于高冲击侵彻测试中[4－5]，但火炮膛内测试中由于高温、高压、高冲击、狭小空间不适合对采用记录仪整体缓冲。为此，提出在记录仪内部电路模块与外壳之间采用橡胶作为电路模块的缓冲材料，设计了一种能抗高过载微小型存储测试仪。

1 缓冲力学模型及仿真

火炮发射过程中，弹丸在膛内及出炮口时会承受几万个重力加速度的冲击。冲击应力波会使测试装置受压变形，灌封后的电路会产生裂纹甚至断裂，从而导致测试过程的失败。缓冲的目的就是为了将冲击脉冲展宽，从而使幅值降低。

1.1 缓冲模型

假设电路模块的质量为m，并以V0的速度撞击刚性板，从而产生一定的过载，胶皮受压缩变形，整个压缩过程都在弹簧的线性弹性范围内，则由能量守恒定理及虎克定理可求得电路模块所受到最大位移Xm及最大加速度am。

由公式可知:1)在弹性系数和初速不变的情况下，最大位移量与成正比，最大加速度与成反比。2)在空间有限的条件下Xm有限，微型化测试装置可以降低对缓冲材料的要求。

1.2 力学模型ANSYS仿真

橡胶是一种广泛用于隔离振动和吸收冲击的缓冲材料。它具有小弹性模量、高弹性和高强度的结构特性。它的剪切弹性模量G一般为1MPa左右，而体积弹性模量K为103MPa左右[6]。

橡胶采用BLATZ_KO_RUBBER材料模型。材料参数为:密度 ρ=1.12g/cm3，泊松比 v=0.27，杨氏模量E=1.04GPa，厚度L=4mm。记录仪电路模块质量为38g，电路采用环氧树脂灌封。

采用ANSYS建立的电路壳体缓冲的模型如图1所示。电路模块外壳采用橡胶包裹，记录仪外壳简化为刚性板，最大应力出现在图中S58的网格处。将电路壳体以一定速度撞击刚性板，得到无胶皮缓冲的应力云如图2所示，应力峰值达到80MPa;得到具有胶皮缓冲的应力云如图3所示，应力峰值仅达到0.12MPa。

图1 仿真模型

仿真表明，采用胶皮能有效减小加速度冲击对电路外壳的应力，能满足电路在膛内和出炮口时的加速度冲击的缓冲要求。

2 记录仪组成与实现

2.1 系统组成

记录仪的原理如图4所示，由传感器、适配电路、A/D变换器、CPLD+MCU控制单元、FIFO+Flash存储单元、USB读数口、电源组成。

2.2 系统实现

图5 为记录仪结构图。加速度传感器与外壳采用还氧树脂灌封，形成刚性连接。

加速度传感器选用上海微系统所生产的压阻式HG-50k，量程为50000g。传感器输出信号经适配电路调理后转换成适合A/D变换器的电压信号。采样频率500kHz，分辨率 12bit，记录容量4MByte。A/D变换器转换的数据

由CPLD编码生成2个字节的编码依次写入FIFO。MCU通过判断FIFO和Flash的工作状态来选择读取FIFO和数据存储工作。

记录仪记录完毕后，计算机通过USB接口读取存储记录的数据，并完成数据处理，以减少电路的体积和功耗。

图5 记录仪结构

3 实验验证

3.1 测试条件

将记录仪安装在155mm口径火炮弹丸底部记录弹丸过载底部加速度，如图6所示。在4号装药常温条件下获取了测量数据。

3.2 实弹测试数据及分析

图6 记录仪安装结构

图7 为加速度传感器感应弹丸在膛内轴向加速度的响应曲线。由图可知，弹丸在挤进过程中存在10000g的振荡过程，膛内轴向加速度峰值在 10.3ms处为12517g。在18.6ms处峰值出现31000g的剧烈振荡为弹丸出炮口的响应。该试验数据为解决该弹的结构问题提供了数据保证。

4 结论

利用嵌入式数据采集技术，使用单片机和CPLD作为主控芯片、高速FIFO作为缓存与NAND flash为存储介质，以胶皮作为电路模块的缓冲材料，设计了一种能抗高频过载的微小型弹底过载存储测试仪。该仪器使用更方便、灵活，为弹底加速度的可靠测试提供了一种新的测试仪器。

图7 弹轴方向加速度曲线

[1]胡功笠，刘荣忠，齐爱东.动能弹侵彻钢筋混凝土靶的试验研究[J].弹箭与制导学报，2005，25(1):24－26.

[2]柳斌，肖剑，郭亚龙，等.大口径火炮弹丸膛内参数测量方法研究[J].弹箭与制导学报，2010，30(1):167－169.

[3]沙龙.多层侵彻加速度及弹底压力测试研究[D].太原:中北大学，2010.

[4]徐鹏，祖静，范锦彪.高g值侵彻加速度测试及其相关技术研究进展[J].兵工学报，2011，32(6):739 －745.

[5]钱立志.弹载任务设备抗高过载方法研究[J].兵工学报，2007，28(8):1017 －1020.

[6]闻利群，鲁建霞，张同来.泡沫铝和橡胶对测试仪器抗冲击波缓冲能力的仿真研究[J].弹箭与制导学报，2010，30(3):223－225.