CN115436651A - 一种测量弹丸速度的方法、系统、电子设备、介质及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及喷丸技术领域，公开了一种测量弹丸速度的方法、系统、电子设备、介质及应用，其中测量弹丸速度的方法以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压‑阿尔门强度函数模型，得到不同喷丸气压下对应的阿尔门强度；建立DEM‑FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，建立弹丸速度‑阿尔门强度函数模型，得到不同弹丸速度下对应的阿尔门强度；通过喷丸气压‑阿尔门强度函数模型、弹丸速度‑阿尔门强度函数模型建立喷丸气压‑弹丸速度函数模型，得到随喷丸气压变化的弹丸速度；通过间接测量弹丸速度的方法避免采用高速摄像机的复杂和局限性，实现了仿真和喷丸试验自然匹配，有效获得弹丸的等效速度。
Description
技术领域
本发明涉及喷丸工艺技术领域，具体的说，是一种测量弹丸速度的方法、系统、电子设备、介质及应用，用于喷丸强化、成形过程中喷丸气压下的弹丸速度测量。
背景技术
喷丸工艺这种冷工艺主要应用于航空航天的制造和表面冷处理，喷丸工艺是利用压缩空气驱动大量的弹丸从喷嘴射出，以一定的速度不断撞击金属材料表面，以使金属材料塑性形变，起到喷丸成形或强化的目的。通过调节压缩空气气压值控制弹丸速度，在其它参数一定的前提下，压缩空气气压越大，弹丸速度也越大。
发明人在研究过程中发现，喷丸工艺中大量弹丸撞击到一定距离外的金属表面时，各喷丸的速度并非完全一致，而是呈现一定规律分布——采用不同的喷丸距离和喷射角度在金属表面留下不同规则的弹坑和弹丸分布，这对喷丸工艺的喷丸效率和覆盖效率存在影响。通过发明人进一步研究发现，这是由于喷丸之间存在相互碰撞，导致喷丸撞击到金属表面时的速度不一致，喷丸束内的弹丸和外部的喷丸分布也不一致，如图1所示。
弹丸速度的准确测量，关系到喷丸工艺仿真和理论分析方法的准确性，传统方法中通过高速摄像机等光学设备直接测量弹丸速度，要获得更准确数据则要装备更灵敏和昂贵的光学设备，但仍存在后期数据复杂且只能用于少量喷丸的速度测量的缺陷。
建立在此基础上的阿尔门强度试验是一种标准的评价喷丸强度的试验，是喷丸工艺中广泛使用的标准试验。如图2所示，喷丸的效果由喷丸气压和喷丸时间决定，试验的靶材材料为一种弹簧钢(SAE1070)，控制某个喷丸气压，采用不同试片进行不同的喷丸时间的喷丸，利用弧高度仪测量试片的弧高度值。把弧高度值与喷丸时间关系绘制成饱和度曲线。而阿尔门强度指的是饱和曲线上的饱和点对应的弧高度值，达到饱和曲线上的饱和点后，喷丸时间即使增加一倍(喷丸次数增加一倍)，弧高度增加不超过弧高度百分之十。此时，喷丸的效果与喷丸时间相关性减弱，而更受喷丸气压影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述缺陷提出以下改进：以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，得到不同喷丸气压下对应的阿尔门强度；建立DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，得到不同弹丸速度下对应的阿尔门强度；通过喷丸气压-阿尔门强度函数模型、弹丸速度-阿尔门强度函数模型建立喷丸气压-弹丸速度函数模型，得到随喷丸气压变化的弹丸速度；通过间接测量弹丸速度的方法避免采用高速摄像机的复杂和局限性，实现了仿真和喷丸试验自然匹配，有效获得弹丸的等效速度。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本申请实施例提供了一种测量弹丸速度的方法，利用阿尔门强度作为中间值，建立试验手段中喷丸气压与分析手段中弹丸速度二者之间的关系，由能够直接获取的喷丸气压计算出等效弹丸速度。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述等效弹丸速度是喷丸工艺中综合所有喷射弹丸的等效速度。
为了更好地实现本发明，进一步地，具体是指：先通过试验手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，同时通过分析手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系；然后将阿尔门强度作为中间值，建立不同喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系；最后将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，获得以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数；以喷丸气压为输入量即可计算出对应的等效弹丸速度。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，具体是指：先获得各个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数，然后对多个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数做平均化处理，得到以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述喷射角度选取90度和45度两个角度。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，通过喷丸气压-阿尔门强度函数表示其线性关系；所述不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，通过弹丸速度-阿尔门强度函数表示其线性关系。
第二方面，本申请实施例提供了一种测量弹丸速度的系统，包括处理单元，还包括分别与处理单元数据通讯的喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元、弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元；
所述喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元，用于以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，并拟合出喷丸气压-阿尔门强度函数；
所述弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元，用于利用DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，并拟合出弹丸速度-阿尔门强度函数；
所述处理单元，用于以阿尔门强度作为中间值，将喷丸气压-阿尔门强度函数和弹丸速度-阿尔门强度函数合并，得到喷丸气压-弹丸速度函数，即以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；
其中，所述存储器，用于存储可在处理器上运行的计算机程序；
所述处理器，用于执行所述计算机程序，以实现上述测量弹丸速度的方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，用于保存计算机程序，
其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述测量弹丸速度的方法。
第五方面，本申请实施例提供了上述一种测量弹丸速度的方法所的应用，将计算出的等效弹丸速度作为喷丸仿真和理论分析中弹丸的初始速度的输入。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，得到不同喷丸气压下对应的阿尔门强度；建立DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，得到不同弹丸速度下对应的阿尔门强度；通过喷丸气压-阿尔门强度函数模型、弹丸速度-阿尔门强度函数模型建立喷丸气压-弹丸速度函数模型，得到随喷丸气压变化的弹丸速度；通过间接测量弹丸速度的方法避免采用高速摄像机的复杂和局限性，实现了仿真和喷丸试验自然匹配，有效获得弹丸的等效速度。
附图说明
下面将结合附图对技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请背景技术中的喷丸试验的演示示意图，其中角度α为撞击到靶材时喷射角度，速度VR为喷嘴移速；
图2为本申请背景技术中的试片弧高度值随喷丸时间变化曲线示意图；
图3为本申请一实施中的一种利用阿尔门强度测量弹丸速度的方法原理示意图；
图4为本申请实施例中的阿尔门强度随喷丸气压变化的关系示意图；
图5为本申请实施例中的阿尔门强度随弹丸速度变化的关系示意图；
图6为本申请实施中的弹丸速度随喷丸气压变化的关系示意图。
具体实施方式
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明创造的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
为保证阿尔门强度模拟试验和理论分析与实际的阿尔门强度试验匹配，需要提前计算弹丸参与撞击靶材表面的弹丸速度以用于模拟试验，本实施方式利用喷丸试验，获得一系列喷丸气压下的阿尔门强度，并建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型；再利用DEM-FEM耦合模型获得不同弹丸速度下对应的阿尔门强度值，并利用喷丸气压-阿尔门强度函数模型、弹丸速度-阿尔门强度函数模型建立喷丸气压-弹丸速度函数模型，得到随喷丸气压变化的弹丸速度。
其中，DEM-FEM耦合模型，即离散元-有限元耦合模型。
实施例1：
本实施提供了一种测量弹丸速度的方法，利用阿尔门强度作为中间值，建立试验手段中喷丸气压与分析手段中弹丸速度二者之间的关系，由能够直接获取的喷丸气压计算出等效弹丸速度。
进一步的，所述等效弹丸速度是喷丸工艺中综合所有喷射弹丸的等效速度。
进一步完善本实施例，本实施的一种测量弹丸速度的方法具体是指：先通过试验手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，同时通过分析手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系；然后将阿尔门强度作为中间值，建立不同喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系；最后将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，获得以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数；以喷丸气压为输入量即可计算出对应的等效弹丸速度。
进一步完善本实施例，所述将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，具体是指：先获得各个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数，然后对多个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数做平均化处理，得到以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
进一步完善本实施例，所述喷射角度选取90度和45度两个角度。
进一步完善本实施例，所述不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，通过喷丸气压-阿尔门强度函数表示其线性关系；所述不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，通过弹丸速度-阿尔门强度函数表示其线性关系。
实施例2：
本实施例提供了一种测量弹丸速度的系统，包括处理单元，还包括分别与处理单元数据通讯的喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元、弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元；
所述喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元，用于以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，并拟合出喷丸气压-阿尔门强度函数；
所述弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元，用于利用DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，并拟合出弹丸速度-阿尔门强度函数；
所述处理单元，用于以阿尔门强度作为中间值，将喷丸气压-阿尔门强度函数和弹丸速度-阿尔门强度函数合并，得到喷丸气压-弹丸速度函数，即以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
实施例3：
本实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；
其中，所述存储器，用于存储可在处理器上运行的计算机程序；
所述处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如实施例1所述的方法。
实施例4：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，用于保存计算机程序，
其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1所述的方法。
实施例5：
本实施例提供了实施1中所述的一种测量弹丸速度的方法所的应用，将计算出的等效弹丸速度作为喷丸仿真和理论分析中弹丸的初始速度的输入。
实施例6：
本实施例的提供一种利用阿尔门强度测量弹丸速度的方法，原理可以初步总结为如图3所示，具体步骤如下，
S1：以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，公式表达为：AI=f(P)=a1P +b1，得到不同喷丸气压下对应的阿尔门强度；
S2：建立DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，公式表达为：AI=f(V)=a2V+b2，得到不同弹丸速度下对应的阿尔门强度；
S3：通过喷丸气压-阿尔门强度函数模型、弹丸速度-阿尔门强度函数模型建立喷丸气压-弹丸速度函数模型，公式表达为：AI=a1P +b1= a2V+b2，得到随喷丸气压变化的弹丸速度，弹丸速度公式表达为：V=P(a1/a2)+ (b1- b2) /a2=Ap+b；在本实施例中，V表示弹丸速度，P表示喷丸气压，AI表示阿尔门强度，a、a1、a2、b1和b2为拟合系数。
更进一步地，S1中，阿尔门强度试验为多组，各组阿尔门强度试验的喷射角度互不相同，分别获取各组阿尔门强度试验的喷丸气压和阿尔门强度，分别建立各组阿尔门强度试验的喷丸气压-阿尔门强度函数模型。
更进一步地，S2所述阿尔门强度模拟试验分为多组，各组阿尔门强度模拟试验的喷射角度与S1中的阿尔门强度试验的喷射角度一一对应相同，分别获取各组阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，分别建立各组阿尔门强度模拟试验的喷丸气压-弹丸速度函数模型。
更进一步地，S3中，通过相同喷射角度条件下获得的喷丸气压-阿尔门强度函数模型、弹丸速度-阿尔门强度函数模型建立喷丸气压-弹丸速度函数模型，得到该喷射角度下随喷丸气压变化的弹丸速度。
得到所有喷射角度下随气压变化的弹丸速度后，取弹丸速度的平均值。
在本实施中，给定参数情况下，执行本实施例中提供的方法，第一步：首先利用试验方法分别得到90°和45°喷丸入射角度时，喷丸气压-阿尔门强度函数模型用公式分别对应表达为：AI(P)=0.23+0.45P、AI(P)=0.203+0.41P，关系式对应的曲线图如图4；
第二步：同样的，利用本文提出的海量弹丸直径模拟喷丸成形方法在阿尔门强度试验的应用，分别得到90°和45°喷丸入射角度时，对应的弹丸速度-阿尔门强度函数模型用公式表达为：AI(V)=0.13+0.056V、AI(V)=0.095+0.045V，关系式对应的曲线如图5所示；
第三步，在喷射角度为90°和45°时，对应喷丸气压-弹丸速度函数模型分别为V=f(P)=8P+18、V=f(P)=9P+22，关系式对应的曲线图如图6所示；此时注意，关系式V=f(P)=8P+18、V=f(P)=9P+22均表示了弹丸速度与气压的关系，观察图6发现，两者弹丸速度相近但存在区别，这个区别的原因主要是不同喷射角度造成的，由于本方法的目的是测量弹丸的等效速度，即综合所有弹丸综合后的弹丸速度，并不代表每一颗弹丸的实际速度，因此，不加以区分喷射角度的情形下，弹丸的等效速度为不同喷射角度对应弹丸速度的平均值，以公式表达为V=f(P)=8.5P+20，具体如图6所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：利用阿尔门强度作为中间值，建立试验手段中喷丸气压与分析手段中弹丸速度二者之间的关系，由能够直接获取的喷丸气压计算出等效弹丸速度。
2.根据权利要求1所述的一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：所述等效弹丸速度是喷丸工艺中综合所有喷射弹丸的等效速度。
3.根据权利要求1所述的一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：具体是指：先通过试验手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，同时通过分析手段获得不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系；然后将阿尔门强度作为中间值，建立不同喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系；最后将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，获得以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数；以喷丸气压为输入量即可计算出对应的等效弹丸速度。
4.根据权利要求3所述的一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：所述将多个喷射角度下喷丸气压与弹丸速度的关系进行融合，具体是指：先获得各个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数，然后对多个喷射角度下以喷丸气压为变量的弹丸速度函数做平均化处理，得到以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
5.根据权利要求3所述的一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：所述喷射角度选取90度和45度两个角度。
6.根据权利要求3-5任一项所述的一种测量弹丸速度的方法，其特征在于：所述不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，通过喷丸气压-阿尔门强度函数表示其线性关系；所述不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，通过弹丸速度-阿尔门强度函数表示其线性关系。
7.一种测量弹丸速度的系统，包括处理单元，其特征在于：还包括分别与处理单元数据通讯的喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元、弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元；
所述喷丸气压-阿尔门强度函数获取单元，用于以喷丸气压作为唯一变量进行阿尔门强度试验，获取喷丸气压和阿尔门强度，建立喷丸气压-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与喷丸气压的关系，并拟合出喷丸气压-阿尔门强度函数；
所述弹丸速度-阿尔门强度函数获取单元，用于利用DEM-FEM耦合模型进行阿尔门强度模拟试验，获取阿尔门强度模拟试验的弹丸速度和阿尔门强度，建立弹丸速度-阿尔门强度函数模型，得到不同喷射角度下阿尔门强度与弹丸速度的关系，并拟合出弹丸速度-阿尔门强度函数；
所述处理单元，用于以阿尔门强度作为中间值，将喷丸气压-阿尔门强度函数和弹丸速度-阿尔门强度函数合并，得到喷丸气压-弹丸速度函数，即以喷丸气压为变量的等效弹丸速度函数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
其中，所述存储器，用于存储可在处理器上运行的计算机程序；
所述处理器，用于执行所述计算机程序，以实现权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，
其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
10.一种如权利要求1所述方法的应用，其特征在于：将计算出的等效弹丸速度作为喷丸仿真和理论分析中弹丸的初始速度的输入。
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