CN113609579B - 火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统 - Google Patents

火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统，包括：步骤1：构建用于火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识的测量系统，所述测量系统包括内翼、外翼、火工作动器、加速度传感器和角度传感器；步骤2：通过多项式拟合，对采集的加速度数据、角速度数据进行数据清洗；步骤3：根据拉格朗日方程，建立测量系统的数学模型，根据外翼面加速度数据和角速度数据，计算得到火工作动器的输出载荷。本发明通过测量加速度信号和角速度信号，十分便捷的辨识外部边界条件变化后的火工作动器输出载荷的变化，为提高武器系统发射可靠性提供了数据支撑。

Description

火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统
技术领域
本发明涉及载荷辨识技术领域，具体地，涉及一种火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统。
背景技术
越来越多的飞行器分离、变形等新型技术，采用火工作动器作为输出动力源。现有计算和试验手段，难以准确描述或者测量火工作动器产品燃烧产生的输出载荷，并且火工作动器输出载荷常常和外部的结构形式强耦合。
火工作动器输出载荷一般采用密爆试验测量火工作动器的输出压力和时间的关系。但是，密爆试验无法准确描述外部结构对火工作动器燃烧的影响。然而外部结构对火工作动器做动时间、载荷峰值等影响较大。故需要采用新的方法对火工作动器的输出载荷进行辨识。
专利文献CN107991060B(申请号：CN201711160301.0)公开了一种基于自适应和迭代算法的载荷分布式光纤辨识方法，属于结构健康监测领域。包括：步骤一：采用有限元方法，得到梁结构的离散化状态方程；步骤二：基于分布式光纤传感器的气动载荷-应变响应信号采集；步骤三：基于卡尔曼滤波器和载荷估计器的气动载荷分布状态反演；步骤四：采用Sage-Husa自适应和迭代实现对步骤三气动载荷分布反演过程中噪声特性参数Q，R和收敛特性的调节，分别得到Q，R参数优化值；步骤五：将步骤四优化所得参数Q，R代入步骤三所述算法，作为下一次采样时刻的基准参量；步骤六：按照步骤二至步骤五顺序，依次反复循环上述过程。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种火工作动器爆炸载荷辨识方法和系统。
根据本发明提供的火工作动器爆炸载荷辨识方法，包括：
步骤1：构建用于火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识的测量系统，所述测量系统包括内翼、外翼、火工作动器、加速度传感器和角度传感器；
步骤2：通过多项式拟合，对采集的加速度数据、角速度数据进行数据清洗；
步骤3：根据拉格朗日方程，建立测量系统的数学模型，根据外翼面加速度数据和角速度数据，计算得到火工作动器的输出载荷。
优选的，将燃药装入火工作动器中，将火工作动器置于内翼凹槽，将内翼与基座固连，通过销钉将外翼和内翼连接，通过销钉将火工作动器的拉杆端和外翼面连接；
将加速度传感器和角度传感器固连于外翼面，实时采集外翼面的加速度和角速度。
优选的，采用多项式进行数据的清洗拟合，使得采集的加速度数据随时间的数据曲线光滑连续，表达式为：
其中，t为某一时刻的时间，表示外翼面的角加速度，Re表示加速度传感器到内、外翼面转轴距离，AC(t)表示t时刻沿弧线切向过载加速度；
对二阶差分公式角度传感器采集的角度数据进行处理，得到t时刻的外翼转过角度表达式为：
其中，Δt为采样时间，边界条件为：
根据公式(2)和(3)，推导任意t时刻，角度和角加速度的关系，表达式为：
优选的，建立几何关系，任意t时刻外翼与内翼间的夹角α(t)为：
根据余弦定理，得：
根据正弦定理，得：
其中，Ri为外翼内缘到内、外翼转轴距离；H为内外翼转轴到火工品驱动器和外翼连接点距离；S(t)为t时刻外翼内缘到火工品驱动点距离，β(t)为t时刻内翼与火工作动器夹角。
优选的，根据拉格朗日方程，外翼的能量为：
其中，T1表示外翼的动能，J1是外翼面绕内外翼面转动轴转动惯量；
外翼势能：V1＝0…………(9)
外翼面广义力：Q1＝N·Ri-M1…………(10)
其中，N表示外翼与驱动杆轴承上的支反力，M1为外翼上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
系统的驱动部分能量分为动能和势能，其中驱动系统的动能为：
其中，J2(t)为驱动杆和活塞缸的转动惯量，m2为驱动杆质量；
驱动系统的势能为：V2＝0…………(14)
Q2t＝F(t)-N(t)·sin(α+β)-N2…………(15)
Q2r＝-N(t)·S(t)·cos(α+β)-M2…………(16)
其中，Q2t表示火工作动器广义力，Q2r表示火工作动器广义力矩，F(t)为火工品活塞缸输出驱动力，N2为火工品活塞缸摩擦阻力，M2为驱动机构活塞缸上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
得到驱动结构的状态方程：
火工作动器活塞缸内压强与输出驱动力关系：
F(t)＝p(t)A…………(20)
其中，p(t)为火工作动器内压，A为活塞杆面积；
采用理想气体方程，压强与驱动杆行程ΔS关系：
p(V0+AΔS)＝nRT…………(21)
其中，V为活塞缸内初始体积，n是气体物质的量，R是普适气体恒量，T是气体温度；
最终得到动力学方程：
pV0+FΔS＝nRT…………25)
忽略活塞缸转轴处的摩擦阻力矩M2，通过求解公式(22)～(25)，获得爆炸过程中火工品输出的爆炸载荷F。
根据本发明提供的火工作动器爆炸载荷辨识系统，包括：
模块M1：构建用于火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识的测量系统，所述测量系统包括内翼、外翼、火工作动器、加速度传感器和角度传感器；
模块M2：通过多项式拟合，对采集的加速度数据、角速度数据进行数据清洗；
模块M3：根据拉格朗日方程，建立测量系统的数学模型，根据外翼面加速度数据和角速度数据，计算得到火工作动器的输出载荷。
优选的，将燃药装入火工作动器中，将火工作动器置于内翼凹槽，将内翼与基座固连，通过销钉将外翼和内翼连接，通过销钉将火工作动器的拉杆端和外翼面连接；
将加速度传感器和角度传感器固连于外翼面，实时采集外翼面的加速度和角速度。
优选的，采用多项式进行数据的清洗拟合，使得采集的加速度数据随时间的数据曲线光滑连续，表达式为：
其中，t为某一时刻的时间，表示外翼面的角加速度，Re表示加速度传感器到内、外翼面转轴距离，AC(t)表示t时刻沿弧线切向过载加速度；
对二阶差分公式角度传感器采集的角度数据进行处理，得到t时刻的外翼转过角度表达式为：
其中，Δt为采样时间，边界条件为：
根据公式(2)和(3)，推导任意t时刻，角度和角加速度的关系，表达式为：
优选的，建立几何关系，任意t时刻外翼与内翼间的夹角α(t)为：
根据余弦定理，得：
根据正弦定理，得：
其中，Ri为外翼内缘到内、外翼转轴距离；H为内外翼转轴到火工品驱动器和外翼连接点距离；S(t)为t时刻外翼内缘到火工品驱动点距离，β(t)为t时刻内翼与火工作动器夹角。
优选的，根据拉格朗日方程，外翼的能量为：
其中，T1表示外翼的动能，J1是外翼面绕内外翼面转动轴转动惯量；
外翼势能：V1＝0…………(9)
外翼面广义力：Q1＝N·Ri-M1…………(10)
其中，N表示外翼与驱动杆轴承上的支反力，M1为外翼上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
系统的驱动部分能量分为动能和势能，其中驱动系统的动能为：
其中，J2(t)为驱动杆和活塞缸的转动惯量，m2为驱动杆质量；
驱动系统的势能为：V2＝0…………(14)
Q2t＝F(t)-N(t)·sin(α+β)-N2…………(15)
Q2r＝-N(t)·S(t)·cos(α+β)-M2…………(16)
其中，Q2t表示火工作动器广义力，Q2r表示火工作动器广义力矩，F(t)为火工品活塞缸输出驱动力，N2为火工品活塞缸摩擦阻力，M2为驱动机构活塞缸上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
得到驱动结构的状态方程：
火工作动器活塞缸内压强与输出驱动力关系：
F(t)＝p(t)A…………(20)
其中，p(t)为火工作动器内压，A为活塞杆面积；
采用理想气体方程，压强与驱动杆行程ΔS关系：
p(V0+AΔS)＝nRT…………(21)
其中，V为活塞缸内初始体积，n是气体物质的量，R是普适气体恒量，T是气体温度；
最终得到动力学方程：
pV0+FΔS＝nRT…………25)
忽略活塞缸转轴处的摩擦阻力矩M2，通过求解公式(22)～(25)，获得爆炸过程中火工品输出的爆炸载荷F。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的火工作动器输出载荷辨识方法，支撑火工做动器参数设计，为提高武器系统发射可靠性提供了数据支撑；
(2)本发明通过测量加速度信号和角速度信号，就可以辨识外部边界条件变化后火工作动器输出载荷的变化，十分便捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明试验系统简图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种火工作动器爆炸载荷辨识方法，本发明的技术方案包括：构建火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识方法的测量系统；包含内、外翼，火工作动器、转轴、加速度感器、角度传感器；根据拉格朗日方程，建立了测量系统的展开数学模型，采用加速度传感器、角度传感器，采集火工作动器驱动部件加速度数据和角度数据，采用多项式方法，清洗加速度由于碰撞等因素引起的跳跃数据，最终对火工作动器输出载荷进行反演计算，得到火工作动器输出载荷值。
具体步骤为：
步骤一、建立试验系统，将燃药装入火工作动器中，并将火工作动器置于内翼凹槽，保证火工作动器在内翼凹槽内自由转动，内翼于固定基座固连。通过销钉将外翼和内翼连接，保证内、外翼转动灵活。通过销钉将火工作动器的拉杆端和外翼面连接。
步骤二、将加速度传感器固连于外翼面，将角度传感器和外翼面固连。试验过程中，实时采集外翼面的加速度和角速度随时间变化的信息。
步骤三，建立载荷识别数学模型。根据数学模型推导求解出爆炸过程产生的输出载荷。
对本发明的方法的数学模型做进一步解释：
火工作动器工作时，拉动外翼面高速展开，其沿弧线切向过载加速度AC，由加速度传感器采集。实际采集中，由于销钉和转轴干涉、碰撞等，引起采集的加速度信号存在突变和跳跃，需要采用多项式进行数据的清洗拟合，使得采集加速度信号，保证加速度随时间的数据曲线光滑连续，表达式为：
其中，t为某一时刻的时间，表示外翼面的角加速度，Re表示加速度传感器到内、外翼面转轴距离，AC(t)表示t时刻沿弧线切向过载加速度。
角度传感器采集的角度数据，需要采用公式(2)二阶差分公式，对采集的角度数据进行处理，得t时刻的外翼转过角度Δt为采样时间，表达式为：
其边界条件为：
根据公式(2)和边界条件(3)，可以推导任意t时刻，角度和角加速度的关系，表达式为：
根据图1，建立几何关系，任意t时刻外翼与内翼间的夹角α(t)为：
根据余弦定理，得：
根据正弦定理，得：
其中，Ri为外翼内缘到内、外翼转轴距离；H为内外翼转轴到火工品驱动器和外翼连接点距离；S(t)为t时刻外翼内缘到火工品驱动点距离，β(t)为t时刻内翼与火工作动器夹角。
根据拉格朗日方程，外翼的能量为：
其中，T1表示外翼的动能，J1是外翼面绕内外翼面转动轴转动惯量；
外翼势能：V1＝0…………(9)
外翼面广义力：Q1＝N·Ri-M1…………(10)
其中，N表示外翼与驱动杆轴承上的支反力，M1为外翼上的阻力矩。
根据拉格朗日方程，得：
系统的驱动部分能量分为动能和势能，其中驱动系统的动能为：
其中，J2(t)为驱动杆和活塞缸的转动惯量，由于J2(t)中拉杆质量相对于转轴存在相对运动，J2(t)为时变量，m2为驱动杆质量。
系统驱动机构势能：V2＝0…………(14)
Q2t＝F(t)-N(t)·sin(α+β)-N2…………(15)
Q2r＝-N(t)·S(t)·cos(α+β)-M2…………(16)
其中，Q2t表示火工作动器广义力，Q2r表示火工作动器广义力矩。F(t)为火工品活塞缸输出驱动力；N2为火工品活塞缸摩擦阻力，M2为驱动机构活塞缸上的阻力矩。
根据拉格朗日方程，得：
得到驱动结构的状态方程：
火工作动器活塞缸内压强与输出驱动力关系：
F(t)＝p(t)A…………(20)
其中，F(t)表示火工作动器输出压力，p(t)为火工作动器内压，A为活塞杆面积。采用理想气体方程，压强与驱动杆行程ΔS关系：
p(V0+AΔS)＝nRT…………(21)
其中，V为活塞缸内初始体积，n是气体物质的量，R是普适气体恒量，T是气体温度。
最终可以得到动力学方程：
pV0+FΔS＝nRT…………25)
由于活塞缸转轴处的摩擦阻力矩M2为小量，故忽略此项。通过求解公式(22)～(25)，可以获得爆炸过程中，火工品输出的爆炸载荷F。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种火工作动器爆炸载荷辨识方法，其特征在于，包括：
步骤1：构建用于火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识的测量系统，所述测量系统包括内翼、外翼、火工作动器、加速度传感器和角度传感器；
步骤2：通过多项式拟合，对采集的加速度数据、角速度数据进行数据清洗；
步骤3：根据拉格朗日方程，建立测量系统的数学模型，根据外翼面加速度数据和角速度数据，计算得到火工作动器的输出载荷；
采用多项式进行数据的清洗拟合，使得采集的加速度数据随时间的数据曲线光滑连续，表达式为：
其中，t为某一时刻的时间，表示外翼面的角加速度，Re表示加速度传感器到内、外翼面转轴距离，AC(t)表示t时刻沿弧线切向过载加速度；
对二阶差分公式角度传感器采集的角度数据进行处理，得到t时刻的外翼转过角度表达式为：
其中，Δt为采样时间，边界条件为：
根据公式(2)和(3)，推导任意t时刻，角度和角加速度的关系，表达式为：
根据拉格朗日方程，外翼的能量为：
其中，T1表示外翼的动能，J1是外翼面绕内外翼面转动轴转动惯量；
外翼势能：V1＝0…………(9)
外翼面广义力：Q1＝N·Ri-M1…………(10)
其中，N表示外翼与驱动杆轴承上的支反力，M1为外翼上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
系统的驱动部分能量分为动能和势能，其中驱动系统的动能为：
其中，J2(t)为驱动杆和活塞缸的转动惯量，m2为驱动杆质量；
驱动系统的势能为：V2＝0…………(14)
Q2t＝F(t)-N(t)·sin(α+β)-N2…………(15)
Q2r＝-N(t)·S(t)·cos(α+β)-M2…………(16)
其中，Q2t表示火工作动器广义力，Q2r表示火工作动器广义力矩，F(t)为火工品活塞缸输出驱动力，N2为火工品活塞缸摩擦阻力，M2为驱动机构活塞缸上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
得到驱动结构的状态方程：
火工作动器活塞缸内压强与输出驱动力关系：
F(t)＝p(t)A…………(20)
其中，p(t)为火工作动器内压，A为活塞杆面积；
采用理想气体方程，压强与驱动杆行程ΔS关系：
p(V0+AΔS)＝nRT…………(21)
其中，V为活塞缸内初始体积，n是气体物质的量，R是普适气体恒量，T是气体温度；
最终得到动力学方程：
pV0+FΔS＝nRT…………25)
忽略活塞缸转轴处的摩擦阻力矩M2，通过求解公式(22)～(25)，获得爆炸过程中火工品输出的爆炸载荷F。
2.根据权利要求1所述的火工作动器爆炸载荷辨识方法，其特征在于，将燃药装入火工作动器中，将火工作动器置于内翼凹槽，将内翼与基座固连，通过销钉将外翼和内翼连接，通过销钉将火工作动器的拉杆端和外翼面连接；
将加速度传感器和角度传感器固连于外翼面，实时采集外翼面的加速度和角速度。
3.根据权利要求1所述的火工作动器爆炸载荷辨识方法，其特征在于，建立几何关系，任意t时刻外翼与内翼间的夹角a(t)为：
根据余弦定理，得：
根据正弦定理，得：
其中，Ri为外翼内缘到内、外翼转轴距离；H为内外翼转轴到火工品驱动器和外翼连接点距离；S(t)为t时刻外翼内缘到火工品驱动点距离，β(t)为t时刻内翼与火工作动器夹角。
4.一种火工作动器爆炸载荷辨识系统，其特征在于，包括：
模块M1：构建用于火工作动器内弹道燃药燃烧产生的载荷辨识的测量系统，所述测量系统包括内翼、外翼、火工作动器、加速度传感器和角度传感器；
模块M2：通过多项式拟合，对采集的加速度数据、角速度数据进行数据清洗；
模块M3：根据拉格朗日方程，建立测量系统的数学模型，根据外翼面加速度数据和角速度数据，计算得到火工作动器的输出载荷；
采用多项式进行数据的清洗拟合，使得采集的加速度数据随时间的数据曲线光滑连续，表达式为：
其中，t为某一时刻的时间，表示外翼面的角加速度，Re表示加速度传感器到内、外翼面转轴距离，AC(t)表示t时刻沿弧线切向过载加速度；
对二阶差分公式角度传感器采集的角度数据进行处理，得到t时刻的外翼转过角度表达式为：
其中，Δt为采样时间，边界条件为：
根据公式(2)和(3)，推导任意t时刻，角度和角加速度的关系，表达式为：
根据拉格朗日方程，外翼的能量为：
其中，T1表示外翼的动能，J1是外翼面绕内外翼面转动轴转动惯量；
外翼势能：V1＝0…………(9)
外翼面广义力：Q1＝N·Ri-M1…………(10)
其中，N表示外翼与驱动杆轴承上的支反力，M1为外翼上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
系统的驱动部分能量分为动能和势能，其中驱动系统的动能为：
其中，J2(t)为驱动杆和活塞缸的转动惯量，m2为驱动杆质量；
驱动系统的势能为：V2＝0…………(14)
Q2t＝F(t)-N(t)·sin(α+β)-N2…………(15)
Q2r＝-N(t)·S(t)·cos(α+β)-M2…………(16)
其中，Q2t表示火工作动器广义力，Q2r表示火工作动器广义力矩，F(t)为火工品活塞缸输出驱动力，N2为火工品活塞缸摩擦阻力，M2为驱动机构活塞缸上的阻力矩；
根据拉格朗日方程，得：
得到驱动结构的状态方程：
火工作动器活塞缸内压强与输出驱动力关系：
F(t)＝p(t)A…………(20)
其中，p(t)为火工作动器内压，A为活塞杆面积；
采用理想气体方程，压强与驱动杆行程ΔS关系：
p(V0+AΔS)＝nRT…………(21)
其中，V为活塞缸内初始体积，n是气体物质的量，R是普适气体恒量，T是气体温度；
最终得到动力学方程：
pV0+FΔS＝nRT…………25)
忽略活塞缸转轴处的摩擦阻力矩M2，通过求解公式(22)～(25)，获得爆炸过程中火工品输出的爆炸载荷F。
5.根据权利要求4所述的火工作动器爆炸载荷辨识系统，其特征在于，将燃药装入火工作动器中，将火工作动器置于内翼凹槽，将内翼与基座固连，通过销钉将外翼和内翼连接，通过销钉将火工作动器的拉杆端和外翼面连接；
将加速度传感器和角度传感器固连于外翼面，实时采集外翼面的加速度和角速度。
6.根据权利要求4所述的火工作动器爆炸载荷辨识系统，其特征在于，建立几何关系，任意t时刻外翼与内翼间的夹角a(t)为：
根据余弦定理，得：
根据正弦定理，得：
其中，Ri为外翼内缘到内、外翼转轴距离；H为内外翼转轴到火工品驱动器和外翼连接点距离；S(t)为t时刻外翼内缘到火工品驱动点距离，β(t)为t时刻内翼与火工作动器夹角。
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