應(yīng)變片式測試儀的工作原理和應(yīng)用設(shè)計方案

1、引言

火炮在膛內(nèi)、飛行和撞擊目標(biāo)時的各種動態(tài)參數(shù)是獲取研制和改進(jìn)火炮系統(tǒng)中重要數(shù)據(jù)的必要手段。我國自行研制的火炮因缺少這些動態(tài)數(shù)據(jù)而給研制和改進(jìn)工作帶來諸多困難?；鹋谔艍簻y試要求測試儀器體積必須小于藥室容積的2．5％，而目前的測試儀器不能滿足小口徑膛壓測試。為減小測試儀器體積，利用存儲技術(shù)設(shè)計出一種應(yīng)變片式測試儀。這種測試儀能夠滿足中小口徑火炮膛壓測試要求，為研制各種新型火炮、彈藥、引信系統(tǒng)提供有效的測試手段，具有廣泛的民用推廣價值。

2、 系統(tǒng)工作原理

圖1給出應(yīng)變式測試儀結(jié)構(gòu)。它由高強(qiáng)度彈性體、電阻應(yīng)變片、電路模塊等構(gòu)成。彈性體感受到被測量時．產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，而粘貼在彈性體與表面的電阻應(yīng)變片構(gòu)成測試儀的傳感器，它將隨彈性體的變形而產(chǎn)生應(yīng)變．即隨電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生相應(yīng)變化。這樣，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化來確定被測量值。待確定被測量值后，電路模塊完成數(shù)據(jù)采集和存儲。

3、 測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

3．1 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)變式測試儀通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，實際上就是保證在測試儀受力時，彈性體上貼片部位的應(yīng)變按某一規(guī)律分布。在實際應(yīng)用中，影響彈性體貼片部位應(yīng)變分布的較大因素主要是彈性體受力條件的變化。對于測試儀，在承載強(qiáng)度足夠的條件下，若將彈性體貼片部位周圍未貼片部分挖空。使得應(yīng)力只能在未挖空的部位分布，或者通過局部削弱彈性體，造成局部的應(yīng)力集中，這兩種操作都能使電阻應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)力高于其他部位的應(yīng)力水平。圖2給出設(shè)計的彈性體結(jié)構(gòu)。

由于彈性體結(jié)構(gòu)為變截面的厚板，由厚板變形理論分析可知，在r=0處，X向應(yīng)力與Y向應(yīng)力相等，切向應(yīng)變與徑向應(yīng)變基本相等，而且具有正的最大值。采用ANSYS軟件分析其在500 MPa外壓條件下的應(yīng)變，如圖3所示。由圖可見，彈性體在r=0處的應(yīng)變最明顯。因此，電阻應(yīng)變片要粘貼在中心。

利用ANSYS軟件對彈性體施加不同壓力時，仿真得出彈性體貼片處在不同外壓下的應(yīng)變。利用仿真應(yīng)變數(shù)據(jù)畫出圖4所示貼片部位的應(yīng)變與外壓關(guān)系。由圖4可得。彈性體貼片處的應(yīng)變按線性規(guī)律分布。

3．2 簡體設(shè)計分析

圖5給出簡體受壓作用圖。

當(dāng)簡體受外壓時，它的彈性變形應(yīng)力為：

式中：ri為圓筒內(nèi)半徑；re為圓筒外半徑；r為計算應(yīng)力點(diǎn)的徑向坐標(biāo)；pe為外壓。

Mises的屈服條件為：

根據(jù)Mises屈服條件，當(dāng)該最大應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時，內(nèi)壁進(jìn)入塑性狀態(tài)。設(shè)外壓最大為pEL，則有：

由式（6）中ri與re的關(guān)系，可設(shè)計出最大外壓下，簡體既處于彈性變形內(nèi)，又使其體積最小的ri與re的值。

4 、結(jié)語

通過對應(yīng)變測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計分析．提出了一種在電路模塊體積已確定時，測試儀體積達(dá)到最小的設(shè)計方案。該設(shè)計優(yōu)點(diǎn)在于利用測試儀殼體作為應(yīng)變式傳感器的敏感器件．這樣既大大縮減測試儀安裝壓電傳感器的空間．又提供最小體積的簡體。實驗結(jié)果證明，該設(shè)計方案有較好的實用性，使測試儀體積至少減小5～10 m3。

應(yīng)變式測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的元件是感受外壓的敏感彈性體及高強(qiáng)度簡體。彈性體設(shè)計必須滿足：一是貼片部位的應(yīng)力要與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系：二是貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力。簡體設(shè)計除考慮與彈性體的連接外，還必須分析其受力情況，在保證其強(qiáng)度的情況下，應(yīng)使筒體的壁厚最薄，體積最小，這樣就能使測試儀的體積達(dá)到最小。

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