高g值加速度动态线性测试冲击方法仿真分析研究*

王艳阳,石云波*,康 强,王 华,杨 阳(1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,太原 00051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 00051;.火箭军驻7171厂军事代表室,西安 710100)



高g值加速度动态线性测试冲击方法仿真分析研究*

王艳阳1,2,石云波1,2*,康 强1,2,王 华1,2,杨 阳3
(1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.火箭军驻7171厂军事代表室,西安 710100)

高g值加速度传感器动态线性测试描述了传感器的输入、输出以及频率三者之间的关系,反映了在某一特定频率下传感器的线性特性。基于霍普金森杆校准系统动态线性测试的一个关键技术是通过实现内弹外弹两粒弹丸的同步撞击,以此来实现两子弹作用于杆上的冲击加速度脉冲的频率相同,实现加速度传感器动态线性测试。本文基于动态线性测试方法,对子弹的同步撞击方法与子弹形状进行了仿真与实验研究。结果表明:实验室无法实现内外弹的同速异步撞击;将用于动态线性测试的内外弹绑定和改变内外弹截面积对第1次压缩波基本没有影响;该结论为利用霍普金森杆做加速度传感器动态校准提供了理论基础和现实依据。

高g值;霍普金森杆;动态线性;同步撞击;ANSYS/LS-DYNA软件

随着MEMS技术的不断进步与发展,基于MEMS技术的微传感器越来越受到人们的关注。在这个领域中,高g值加速度计是MEMS技术用于引信侵彻过程惯性测试与控制的重要体现之一[1]。霍普金森杆作为模拟高g值冲击加载环境已被广泛地应用,特别是在高g值加速度传感器的研究和使用过程中[2-3]。加速度计的动态线性描述了输入、输出、频率三者之间的关系,反映了特定频率下传感器的线性特性,可以作为评定加速度计性能优劣的一项重要指标。对于动态特性的研究,在满足一定条件的动态线性范围内对加速度传感器动态线性进行测试是频率响应的基础。因此,对高g值加速度计动态线性测量方法的研究具有重要意义[4]。

目前在国内还没有将动态线性作为评价微加速度计的一项性能指标,微加速度计动态线性的测量方法还是空白[5-6]。国外虽已将动态线性作为衡量微加速度计优劣的一项性能指标,但其测量方法未见相关文献的报道。基于弹性波叠加原理,中北大学提出了双弹头霍普金森杆校准理论及实验方案。利用双弹头对加速度传感器进行动态线性测试,试验的一个关键部分是对用于发射的同心子弹同速异步撞击得到同频的加速度脉冲。仿真及试验得到子弹的同速异步撞击在实验环境下无法实现。可以用内外弹绑定的方式来得到同频的加速度信号而且理论和试验仿真分析得到将子弹绑定和改变两子弹截面积对第1次压缩波基本没有影响;该结论为利用霍普金森杆做加速度传感器动态校准提供了理论基础和现实依据。

1 双弹头霍普金森杆测试系统

1.1 双弹头霍普金森杆

双弹头霍普金森杆测试系统原理图如图1所示。实验室应用该系统进行基于双弹头的高g值加速度传感器动态线性测试。

图1 双弹头霍普金森杆测试系统原理图

图2 同心子弹(内外弹)实物图

1.2 动态线性定义

动态线性度反映了传感器输入值、输出值、频率三者之间的关系,是用来表示传感器线性工作区间内信号频率与输入幅值间关系的一项指标[6]。利用双弹头霍普金森杆测量加速度计的动态线性。将待测加速度计安装在标定杆的安装端面,两个同心子弹(内、外弹(图2))分别单独或同时从发射膛(图3)发射。作用于杆的冲击端面,在杆中产生应力波,沿杆传播到安装端面加速度计,使其产生冲击加速度信号。该信号为近似半正弦加速度脉冲。

图3 霍普金森杆发射膛

若加速度计的输入加速度分别为X1(t)和X2(t)时,来自目标加速度计的输出信号分别为Y1(t)和Y2(t)。如果当加速度计的输入加速度是aX1(t)+bX2(t)时,其中a和b是任意常数,来自加速度计的输出为:aY1(t)+bY2(t),那么该加速度计是动态线性的[7]。

当两子弹分别单独与霍普金森杆相撞时,加速度峰值分别记为a1、a2,测得加速度计对应的输出加速度峰值分别为A1、A2;保持同样发射气压,控制两子弹同时与霍普金森杆相撞,使两子弹作用于杆上的冲击加速度脉冲的频率相同且峰值分别为a1、a2,使被测加速度计感知到峰值为a1+a2的冲击加速度脉冲,加速度计输出的加速度峰值为A1+2,于是求得Δ=(A1+A2)-A1+2,通过观察Δ是否在要求的精度范围内来评价被测加速度计的动态线性,从而对其进行标定。

当子弹撞击金属杆的一个端表面时,生成弹性脉冲,传播到另一端面并发生反射。此过程中位于远离冲击端表面的杆中的弹性波是平面波,冲击加速度a(t)在反射过程中产生,可通过以下的公式表达[8]:

(1)

用符号a来表示目标加速度计获取的冲击加速度,那么存在以下表达式:

(2)

(3)

(4)

只要应力波的应变没有使杆的材料发生线性形变,根据弹性波叠加原理,以下等式成立:

(5)

(6)

如果用符号α来表示来自目标加速度计的输出信号,加速度计的动态线性可以通过下面的表达式来定义[9-11]:

(7)

如果σ的平均值在所要求的精度范围内(5%以内),则我们认为加速度计的动态线性良好[12]。

2 方案设计及论证

根据动态线性测试要求,双弹头霍普金森杆测试系统在对传感器测试过程中一个测试关键技术是控制内外弹与霍普金森杆相撞,使两子弹作用于杆上的冲击加速度脉冲的频率相同,实现内外弹两粒弹丸以相同的速度不同时与标定杆相撞(同速异步)。为了实现加速度的同速异步撞击标定,我们拟采用以下方案:在子弹远离冲击端处用螺丝固定两弹的相对位移,如图4所示。

图4 将同心子弹(内外弹)绑定示意图

图5 内弹冲击标定杆的信号图

在单独冲击内弹或者外弹时,将两弹之间错开4 mm,并在远离冲击端用螺丝固定两弹相对位置。图5～图7是采用这种方法的实验结果。

图6 外弹冲击标定杆的信号图

图7 双弹冲击标定杆的信号图

由上述实验结果可以看出,采用螺丝固定子弹相对位置得到的波形是比较稳定的。因此用该方式进一步进行实验探究。我们采用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟进一步探究螺丝对实验结果的影响。分别对两弹固定和不固定的情况进行模拟,以探究螺丝固定对子弹冲击加速度信号的影响。

3 仿真分析

由于采用螺丝固定内弹和外弹两子弹位置得到的输出波形是比较稳定,为了进一步研究内外弹相对位置固定与不固定的对子弹加速度冲击信号产生的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件仿真。由于子弹截面积小于标定杆的截面积,应力波在标定杆端面很显然不是一维应力波,所以仿真过程对不同截面积子弹也进行了仿真。模拟中对不同横截面积的子弹的冲击模拟,横截面积的改变将导致子弹冲击标定杆应力值的改变。将内弹直径改为11.14 mm,外弹内径为11.2 mm。内弹横截面积占子弹横截面积的35%,外弹横截面积占65%。然后进行数值模拟分析。

仿真中,子弹的材质是45#钢,标定杆的材料为钛合金,标定杆的直径为30 mm,长度1.1 m。外弹直径19 mm,内外弹的长度都是30 mm,子弹速度为15 m/s,输出信号来自于标定杆中点的应变[9]。

3.1 模拟数值仿真

①按照材料属性及材料参数表1进行实验仿真。

表1 材料参数表

②模拟情况说明

由于泊松比的影响,子弹压缩后横截面积会变大,因而内弹的直径略小于外弹的内径[10]。模拟中要对内弹和外弹远离撞击端面处进行两点绑定,以内弹撞击标定杆为例,绑定点设在内弹远离撞击端面处4 mm。仿真模型及绑定点设置如图8和图9所示。

图8 对绑定子弹进行冲击仿真

图9 绑定点示意图

图10 应力传播图

3.2 仿真结果分析

截面相同的子弹,以两弹绑定,内弹冲击标定杆,图10应力传播图是应力刚开始传播时的标定杆应力云图。

当波传播45 μs时,应力波传播至冲击端60 mm处,取单元长度局部放大,如图11,此时最大轴向应力为117.6 MPa,最小轴向应力为111.9 MPa,相差4.8%。此时可以认为应力已经均匀。

图11 应力传播局部放大图

输出标定杆中点的应变对比结果。

图12 相同截面的子弹冲击标定杆中点应变图

由应变图图12可以看出,在远离冲击端绑定内弹与外弹后,并不影响第1个压缩波,也就是说不影响加速度脉冲。以内弹冲击标定杆为例,绑定两弹时,外弹的冲击波紧跟着内弹的冲击波由绑定点传递到标定杆上。解除绑定后,内弹撞击标定杆后,外弹在大约0.2 ms以后撞击到标定杆上。

截面不同的子弹讨论标定杆中的应力均匀性。图13是应力刚开始传播时的标定杆应力云图。

图13 应力传播图

图14 应力传播局部放大图

在传播25 μs时,应力波传播至距离杆冲击端50 mm处,应力开始趋于均匀。这时,距离冲击端50 mm处的杆中轴向应力最大值为92.39 MPa,最小值为84.96 MPa。相差8%。

当波传播35 μs时,应力波传播至冲击端70 mm处,此时最大轴向应力为89.45 MPa,最小轴向应力为83.85 MPa,相差6.3%。

当波传播55 μs时,应力波传播至冲击端120 mm处,取单元长度局部放大,如图14所示,此时最大轴向应力为85.18 MPa,最小轴向应力为80.55 MPa,相差5.4%,可以认为此时标定杆中应力已经均匀。

输出标定杆中点的应变对比结果如图15所示。

图15 不同截面的子弹冲击标定杆中点应变图

由以上分析可以看出:改变子弹横截面积之后,绑定对第1次压缩波仍旧基本没有影响,但是外弹冲击标定杆的应力波幅值明显减小,内弹冲击标定杆的应力波幅值增大。

4 结论

动态线性测试描述了高g值加速度传感器输入、输出、频率三者之间的关系,反映了特定频率下传感器的线性参数。基于霍普金森杆校准系统动态线性测试的一个关键技术是实现某一特定频率下对加速度传感器校准。本文针对动态线性测试方法,对子弹的同步撞击实现方法以及不同子弹截面积下的子弹同步撞击进行了仿真与实验研究。结果表明:改变子弹横截面积并将内外弹绑定对第1次压缩波基本没有影响;应力波的幅值会受内外弹截面积影响。

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王艳阳(1991-),男,汉族,硕士研究生,主要从事MEMS高量程加速度传感器设计、电路系统设计,传感器测试等方面的研究,379228402@qq.com;

石云波(1972-),男,汉族,博士,中北大学教授,目前主要从事MEMS、微惯性器件等方面的研究,参加了国防973、国家863、国家自然基金等多项科研项目,获得山西省技术发明一等奖1项、高等学校科学技术一等奖2项、国内发明专利4项,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

项目来源:集成硅基纳米光波导惯性期间基础研究(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