CN116952060A - 一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及系统，属于载荷动态测试技术领域；方法为：制作自感知载荷测试构件；对自感知载荷测试构件进行应变‑载荷标定及频响验证，正式上炮测试前，经多次应变‑载荷标定试验，拟合后获得标定系数k，作为标定的结果；并通过所获得的阶跃信号验证自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求；进行载荷动态测试，将自感知载荷测试构件连接于火炮载荷动态测试系统中；测试系统上电后，将步骤2得到的标定系数在测试系统的采集软件中进行设置，然后进行火炮射击时的载荷动态测量，获取真实的载荷数据。本发明解决了目前采用不同的测量方法无法准确获得反后坐装置这一火炮关键部件的动态载荷过程的问题。
Description
技术领域
本发明属于载荷动态测试技术领域，具体涉及一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及系统。
背景技术
目前火炮载荷动态测试方法中，按照其测试方式的不同可划分为两类：一种为直接测试方法，包括模拟样机测试方法和台架测试方法。模拟样机测试方法是将机载武器安装在模拟样机上，进行地面实弹射击实验，该方法更接近武器实际工况，但需要针对每种机型制造相应的模拟样机，工程大、成本高且通用性差；台架测试方法是通过模拟机载武器的实际安装方式，直接测试武器系统在测力台架上的动态响应，该方法灵活性高、成本低、可操作性强，但试验台架的动态特性对射击载荷测试值的影响是无法忽略，造成测试结果不可信。另一种为载荷间接测试方法，包括间接计算方法和载荷识别方法；间接计算方法通过获取与武器后坐力相关的动态参数，推算得到载荷值。载荷识别方法多用于枪械、航炮等动态载荷反求。通过测试射击过程中的后坐位移、制退器的内腔压力等，同时己知火炮结构上的相关参数，利用经验公式计算载荷；或者采用基于应变片测试方法进行测试，根据结构的应变响应值推算得到载荷值，但应变片的粘贴质量、布置位置和载荷识别方法对载荷测试结果的影响较大，测试精度偏低且没有统一的评判标准。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及系统，通过设计和标定自感知载荷测试构件，结合测试方法，克服了目前采用不同的测量方法无法准确获得反后坐装置这一火炮关键部件的动态载荷过程的问题。
本发明的技术方案是：一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，具体步骤如下：
步骤1：设计、安装自感知载荷测试构件；
所述自感知载荷测试构件替代测试系统中的反后坐装置制退杆，其上耦合有载荷数据采集设备；
步骤2：对自感知载荷测试构件进行应变-载荷标定及频响验证；
正式上炮测试前，经多次应变-载荷标定试验，经拟合后获得标定系数k，作为标定的结果；并通过所获得的阶跃信号验证自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求；
步骤3：进行载荷动态测试；
完成自感知载荷测试构件标定后，连接于火炮载荷动态测试系统中；测试系统上电后，将步骤2得到的标定系数在测试系统的采集软件中进行设置，然后进行火炮射击时的载荷动态测量，获取真实的载荷数据。
本发明的进一步技术方案是：所述自感知载荷测试构件与反后坐装置制退杆的材质尺寸一致，将所述载荷数据采集设备嵌装于自感知载荷测试构件内，并保证自感知载荷测试构件埋植前后强度变化不超过5％。
本发明的进一步技术方案是：所述载荷数据采集设备为光纤光栅传感器。
本发明的进一步技术方案是：所述自感知载荷测试构件外周面的一侧开有平行于轴向的长条凹槽，凹槽尺寸保证光纤光栅传感器能够完全嵌入，且不产生挤压。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，应变-载荷标定采用标定装置完成，所述标定装置包括力源、标准力传感器、脆性材料、加载机构和阶跃发生单元；所述标准力传感器和自感知载荷测试构件并列设置，其上放置脆性材料，所述加载机构位于脆性材料的上方，由力源驱动加载机构对脆性材料进行加载。
本发明的进一步技术方案是：所述应变-载荷标定的方法为，通过数据采集分析系统对比自感知载荷测试构件的输出值与标准力传感器的输出值；所述标准力传感器测得的施加力依次为F1……Fn，所述自感知载荷测试构件的输出值为q1，建立标准力传感器输出与力的对应关系F1—q1，以设定步长重复获取施加力直至Fn，并记录自感知载荷测试构件输出与施加力的对应关系F2—q2，F3—q3，……，Fn—qn，重复多次试验，经拟合后获得标定系数k，作为此次标定的结果；同时利用所述脆性材料断裂瞬间获得的阶跃信号，验证所述自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求。
一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试系统，包括自感知载荷测试构件、解调仪、上位机、紧固螺母、缓冲器、摇架、身管、炮尾，所述身管、摇架、炮尾依次安装，所述缓冲器安装于摇架上；所述自感知载荷测试构件的一端与缓冲器相连，另一端通过紧固螺母与炮尾或摇架连接；
所述自感知载荷测试构件通过测试线缆与解调仪相连，解调仪通过测试线缆与上位机相连，将测试数据输入至上位机，获取火炮射击时反后坐装置载荷动态过程。
本发明的进一步技术方案是：所述自感知载荷测试构件上加工有埋植孔，用于安装光栅光纤传感器；通过光栅光纤传感器尺寸确定埋植孔的尺寸，再通过力学仿真计算自感知构件强度与原反后坐装置杆的强度变化是否超过5％，如强度变化≤5％，则满足设计要求；如强度变大≥5％，则重新设计尺寸，直到满足要求。
本发明的进一步技术方案是：所述光栅光纤传感器采用两点式封装结构，保证测试精度。
本发明的进一步技术方案是：所述光栅光纤传感器采用粘贴剂固定。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明采用一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法和测试系统，实现了火炮射击过程反后坐装置载荷动态过程的测试。该方法通过对反后坐装置制退杆进行结构及传感器一体化集成设计，实现传感器的“植入”，使反后坐装置制退杆这一关键结构具有自感知能力。同时，采用载荷标定装置对自感知结构进行标定，保证该方法的准确性，解决火炮武器多种射击模式下载荷无法实现直接测试以及间接方法测试精度偏低的问题。
本发明测试方法的优点在于自感知载荷测试构件01所测载荷能够真实反映被嵌入结构的力学性能，且适用于不同后坐方式的小口径高射速火炮，实现了在不改变火炮结构的前提下，直接对火炮反后坐装置进行载荷动态测试，保证了测试数据的真实性和可靠性。
优选的，考虑反后坐装置杆所受力为不均匀力，为保证测试精度，本发明中的光纤光栅传感器采用两点式封装结构，该结构能在反后坐装置杆受力不均时向传感器两端平均应力，从而得到准确的应变值，实现载荷的高精度测试。
附图说明
图1为火炮载荷动态测试现场示意图；
图2为自感知载荷测试构件截面示意图；
图3为自感知载荷测试构件标定过程示意图；
图4为利用本发明实施例自感知载荷测试构件标定曲线；(a)标定系数，(b)频响验证；
图5为利用本发明实施例得到的实际测试曲线；
图6某型火炮射击时反后坐装置杆的受力应力云图。
附图标记说明：01自感知载荷测试构件、02解调仪、03上位机、04紧固螺母、05缓冲器、06摇架、07身管、08炮尾、10标定装置、011光纤光栅传感器、012反后坐装置制退杆、013凹槽、014粘贴剂、101力源、102标准力传感器、103脆性材料、104加载结构、105阶跃发生单元。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为了解决目前采用不同的测量方法无法准确获得反后坐装置这一火炮关键部件的动态载荷过程的问题，本发明提供了一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及测试系统，所述方法的具体步骤如下：
步骤1：设计、安装自感知载荷测试构件；
所述自感知载荷测试构件替代测试系统中的反后坐装置制退杆，其上耦合有载荷数据采集设备；
步骤2：对自感知载荷测试构件进行应变-载荷标定及频响验证；
正式上炮测试前，经多次应变-载荷标定试验，拟合后获得标定系数k，作为标定的结果；并通过所获得的阶跃信号验证自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求；
步骤3：进行载荷动态测试；
完成自感知载荷测试构件标定后，连接于火炮载荷动态测试系统中；测试系统上电后，将步骤2得到的标定系数在测试系统的采集软件中进行设置，然后进行火炮射击时的载荷动态测量，获取真实的载荷数据。
所述系统包括自感知载荷测试构件01、解调仪02、上位机03、紧固螺母04、缓冲器05、摇架06、身管07、炮尾08；自感知载荷测试构件01与缓冲器05相连，通过紧固螺母04与炮尾08固定，同时，自感知载荷测试构件01通过测试线缆与解调仪02相连，解调仪02通过测试线缆与上位机03相连，连接完成后，即可获得火炮射击时反后坐装置载荷动态过程。
本发明采用一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，通过反后坐装置制退杆进行传感器结构一体化设计，将光纤光栅传感器“植入”制退杆内，使得这一关键结构具有自感知能力，所测载荷能够真实反映被嵌入结构的力学性能，且适用于不同后坐方式的火炮武器；同时，采用载荷标定装置对自感知结构进行标定，保证该方法及测试系统的准确性，实现了在不改变火炮结构的前提下，直接对火炮反后坐装置进行载荷动态测试，保证了测试数据的真实性和可靠性，解决了实战环境下火炮无法实现载荷的直接测试以及间接方法测试精度偏低的问题。
具体测试方法步骤如下：
第一步，制作自感知载荷测试构件01。
自感知载荷测试构件01代替原本反后坐装置制退杆实现火炮射击过程中载荷动态变化过程的测试，选择与反后坐装置制退杆012相同材料和规格尺寸，在保证其强度的前提下在一侧加工长条凹槽013，用粘贴剂014固定光纤光栅传感器011，传感器的方向与预留凹槽013或狭缝的边缘平行，凹槽013的尺寸、方向在加工时要严格控制，保证光纤光栅传感器011能够完全嵌入，同时在装配过程中，确保内部光纤光栅传感器011不受到挤压，以免造成传感器损坏或数据测不准。将光纤光栅传感器011嵌入自感知载荷测试构件01中后，将引线从凹槽013引出，
第二步，对自感知载荷测试构件01进行应变-载荷标定及频响验证。
正式上炮测试前，需要在载荷标定装置10上进行应变-载荷标定。标定装置10由力源101、标准力传感器102、脆性材料103、加载机构104和阶跃发生单元105组成。所述标准力传感器和自感知载荷测试构件并列设置，其上放置脆性材料，所述加载机构位于脆性材料的上方，由力源驱动加载机构对脆性材料进行加载。当脆性材料103所承受的力达到其载荷限值会瞬间断裂，即被标定传感器测量的力突然变为0，产生阶跃信号，以阶跃信号的下降沿时间作为被标定传感器频响的判断依据。
将标准力传感器102和自感知载荷测试构件01并列设置，通过数据采集分析系统对比自感知载荷测试构件01的输出值与标准力传感器102的输出值。假如由标准力传感器102测得的施加力依次为F1……Fn，此时自感知载荷测试构件1的输出值为q1，建立传感器输出与力的对应关系F1—q1，以一定步长重复获取施加力直至Fn，并记录自感知载荷测试构件01输出与施加力的对应关系F2—q2，F3—q3，……，Fn—qn，重复多次试验，经拟合后获得标定系数k，作为此次标定的结果，同时利用脆性材料103断裂瞬间获得的阶跃信号来验证自感知载荷测试构件01的频响是否满足测试要求。
第三步，载荷动态测试。
完成标定后，将自感知载荷测试构件01与解调仪02、上位机03依次连接，测试系统上电后，将第二步得到的标定系数在上位机03中的采集软件进行设置，即可进行火炮射击时的载荷动态测量，获取真实的载荷数据。
该方法的优点在于自感知载荷测试构件01所测载荷能够真实反映被嵌入结构的力学性能，且适用于不同后坐方式的小口径高射速火炮，实现了在不改变火炮结构的前提下，直接对火炮反后坐装置进行载荷动态测试，保证了测试数据的真实性和可靠性。
实施例：
研究火炮发射过程中的结构特性及响应，其根本是准确获得关键部件的动态载荷过程。但目前国内主要通过研究内弹道过程中膛压的变化规律，并结合动力学模型来研究载荷变化过程，直接测试与间接测试方法存在与火炮实际受力情况不同、测试精度较低等问题。单独针对小口径高射速防空火炮武器载荷动态实时测试方法研究相对较少。此外，国内关于高射速防空火炮武器载荷动态测试方面的无统一标准，主要的原因是在于火炮武器类型的多样性，不同类型的火炮武器要形成一个统一的测试标准难度极大。其次，火炮武器在射击过程中运动十分剧烈，对支撑和固定装置的瞬间冲击很大，因此测试对载荷测试系统的强度、刚度、采样频率以及测试系统的稳定性有很高的要求。基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及测试系统实现小口径高射速火炮发射过程中的载荷动态测试是本发明的内容。
为了更加准确反映反后坐装置在射击过程中载荷动态变化过程，本实施例采用自感知载荷测试构件01代替原本反后坐装置制退杆进行射火炮射击过程中载荷动态变化过程，选择与反后坐装置制退杆012相同材料和规格尺寸，在保证其刚强度的前提下在一侧加工长条凹槽013，用粘贴剂014固定光纤光栅传感器011，传感器的方向与预留凹槽013或狭缝的边缘平行，凹槽013的尺寸、方向在加工时要严格控制，保证光纤光栅传感器011能够完全嵌入，同时在装配过程中，确保内部光纤光栅传感器011不能受到挤压，以免造成传感器损坏或数据测不准。将光纤光栅传感器011嵌入自感知载荷测试构件01中后，将引线从凹槽013引出。
此外，由于火炮发射时，反后坐装置反复运动后具有一定温度，因此在自感知载荷测试构件安装前要选择性能较好的粘帖剂，需要考虑其耐高温性能和和固化后的应变特性，保证在高温条件下嵌入的传感器安装牢固、可靠，能够真实地反应测试结果。本实施例选择B-711型粘结剂，使用温度范围：-100℃～150℃，固化压力：0.1MPa，常温24小时完全固化。
正式上炮测试前，需要在标定装置10上进行应变-载荷标定。标定装置10由力源101、标准力传感器102、脆性材料103、加载结构104和阶跃发生单元105组成。如图3所示，在标定装置上安装力源101、标准力传感器102及脆性材料103，在标准力传感器102上方放置自感知载荷测试构件01。对比自感知载荷测试构件01的输出值与标准力传感器102的输出值。假如由标准力传感器102测得的施加力依次为F1……Fn，此时自感知载荷测试构件01的输出值为q1，建立传感器输出与力的对应关系F1—q1，以一定步长重复获取施加力直至Fn，并记录自感知载荷测试构件01输出与施加力的对应关系F2—q2，F3—q3，……，Fn—qn，重复多次试验，经拟合后获得标定系数k，作为此次标定的结果，同时利用脆性材料103断裂瞬间获得的阶跃信号来验证自感知载荷测试构件01的频响是否满足测试要求。本实施力用F由45N依次增加至10000N，重复2次，采样频率设置为150KHz。
表1实施例应变-载荷标定数据表
由上述结果经曲线拟合可知，本实施例标定系统k＝3.70N/με，下降沿时间Tdraping＝22μs，频响为15.9KHz，满足火炮连发射击时的对测试系统的频响要求。
完成标定后连接解调仪02及上位机03，并通过采集软件设置好标定系数后，即可进行火炮射击时的载荷动态测量，该方法的优点在于自感知载荷测试构件01所测载荷能够真实反映被嵌入结构的力学性能。
参照图6所示，以某型火炮反后坐装置杆为例，结合火炮射击时受力分析可知，其所受力为不均为力，且受力集中在反后坐装置杆前端，设计自感知结构时，应按照以下两个原则进行设计：
一、控制埋植孔的长度，使埋植孔足够的短，只在反后坐装置杆受力区域加工埋植孔；其次，控制埋植孔的直径，使埋植孔足够的细，传感器埋入后预留。综合以上两点，结合实际测试环境中反后坐装置杆具体尺寸设计埋植孔的尺寸。埋植孔位置根据力学仿真结果确定，将光栅光纤传感器埋入反后坐装置杆前端，长度8cm，直径500μm。确定埋植长度、直径后，通过力学仿真计算自感知构件强度与原反后坐装置杆的强度变化是否超过5％，如强度变化≤5％，则满足设计要求。
二、考虑反后坐装置杆所受力为不均匀力，为保证测试精度，本发明中的光纤光栅传感器采用两点式封装结构，该结构能在反后坐装置杆受力不均时向传感器两端平均应力，从而得到准确的应变值，实现载荷的高精度测试。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：设计、安装自感知载荷测试构件；
所述自感知载荷测试构件替代测试系统中的反后坐装置制退杆，其上耦合有载荷数据采集设备；
步骤2：对自感知载荷测试构件进行应变-载荷标定及频响验证；
正式上炮测试前，经多次应变-载荷标定试验，拟合后获得标定系数k，作为标定的结果；并通过所获得的阶跃信号验证自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求；
步骤3：进行载荷动态测试；
完成自感知载荷测试构件标定后，连接于火炮载荷动态测试系统中；测试系统上电后，将步骤2得到的标定系数在测试系统的采集软件中进行设置，然后进行火炮射击时的载荷动态测量，获取真实的载荷数据。
2.根据权利要求1所述一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于：所述自感知载荷测试构件与反后坐装置制退杆的材质尺寸一致，将所述载荷数据采集设备嵌装于自感知载荷测试构件内，并保证自感知载荷测试构件埋植前后强度变化不超过5％。
3.根据权利要求2所述一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于：所述载荷数据采集设备为光纤光栅传感器。
4.根据权利要求3所述一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于：所述自感知载荷测试构件外周面的一侧开有平行于轴向的长条凹槽，凹槽尺寸保证光纤光栅传感器能够完全嵌入，且不产生挤压。
5.根据权利要求1所述一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于：所述步骤2中，应变-载荷标定采用标定装置完成，所述标定装置包括力源、标准力传感器、脆性材料、加载机构和阶跃发生单元；所述标准力传感器和自感知载荷测试构件并列设置，其上放置脆性材料，所述加载机构位于脆性材料的上方，由力源驱动加载机构对脆性材料进行加载。
6.根据权利要求5所述一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法，其特征在于：所述应变-载荷标定试验的方法为，通过数据采集分析系统对比自感知载荷测试构件的输出值与标准力传感器的输出值；所述标准力传感器测得的施加力依次为F1……Fn，所述自感知载荷测试构件的输出值为q1，建立标准力传感器输出与力的对应关系F1—q1，以设定步长重复获取施加力直至Fn，并记录自感知载荷测试构件输出与施加力的对应关系F2—q2，F3—q3，……，Fn—qn，重复多次试验，经拟合后获得标定系数k，作为此次标定的结果；同时利用所述脆性材料断裂瞬间获得的阶跃信号，验证所述自感知载荷测试构件的频响是否满足测试要求。
7.一种实施权利要求1-6任一项所述基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法的测试系统，其特征在于：包括自感知载荷测试构件、解调仪、上位机、紧固螺母、缓冲器、摇架、身管、炮尾，所述身管、摇架、炮尾依次安装，所述缓冲器安装于摇架上；所述自感知载荷测试构件的一端与缓冲器相连，另一端通过紧固螺母与炮尾或摇架连接；
所述自感知载荷测试构件通过测试线缆与解调仪相连，解调仪通过测试线缆与上位机相连，将测试数据输入至上位机，获取火炮射击时反后坐装置载荷动态过程。
8.根据权利要求7所述测试系统，其特征在于：所述自感知载荷测试构件上加工有埋植孔，用于安装光栅光纤传感器；通过光栅光纤传感器尺寸确定埋植孔的尺寸，再通过力学仿真计算自感知构件强度与原反后坐装置杆的强度变化是否超过5％，如强度变化≤5％，则满足设计要求；如强度变大≥5％，则重新设计尺寸，直到满足要求。
9.根据权利要求8所述测试系统，其特征在于：所述光栅光纤传感器采用两点式封装结构，保证测试精度。
10.根据权利要求8所述测试系统，其特征在于：所述光栅光纤传感器采用粘贴剂固定。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310721363.3A Pending CN116952060A (zh) | 2023-06-17 | 2023-06-17 | 一种基于自感知结构的火炮载荷动态测试方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116952060A (zh) |
-
2023
- 2023-06-17 CN CN202310721363.3A patent/CN116952060A/zh active Pending
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