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在弹体高速侵彻硬目标加速度测试现场试验中,弹载存储测试技术是广泛采用的方法。在高g值冲击的极恶劣环境中,弹载加速度存储测试装置(加速度传感器、记录电路模块和电池)的存活能力面临极大的考验,任何一部份的失效都将导致试验的失败,造成不可挽回的损失。提高侵彻加速度数据的捕获率,和准确测得加速度信号,已经成为深层钻地武器研究中的一项制约性基础技术。
本文采用理论分析、计算机模拟、实验室和现场试验相结合的方法,研究了弹体高速侵彻硬目标过程加速度测试中两个关键问题:高g值加速度计绝对冲击校准和频率响应特性分析;记录电路模块的缓冲保护,一定程度上解决了高速侵彻恶劣环境中高g值冲击加速度“测不了”、“测不准”的制约性技术问题。检索了国内外关于冲击加速度校准和泡沫铝缓冲吸能方面的文献,了解到高g值加速度校准的实验装置和试验方法及理论,文献主要集中于加速度计的灵敏度标定(校准),而频率响应分析的文献很少。加速度校准主要采用速度改变法和激光干涉绝对法。泡沫铝缓冲吸能方面的研究工作热点,集中在三明治夹层轻质结构、泡沫铝填充金属壳体的能量吸收装置的设计、计算机模拟。参考国内外的研究进展和实际项目需求,确定了本报告的主要研究内容。研制了适合于气体炮上试验的高g值加速度试验装置,利用压缩空气使炮弹获得100m/s以上的速度,在测试段与加速度测试装置发生碰撞,使后者获得所需的高g值加速度,同时由加速度计和激光多普勒速度干涉仪记录整个加速过程,从而实现对加速度计的校准,和对加速度存储测试装置抗高g值冲击性能的考核。同时研究了机制毛毡在高速碰撞条件下的弹性回复系数,认为其近似为零。所以毛毡作为碰撞界面材料的正碰撞可以认为是完全塑性碰撞,这对工程上相关碰撞研究具有一定的指导意义。研究了利用Hopkinson杆对高g值加速度计校准时的关键问题:加速度计准静态校准和动态校准。将加速度计简化为绝对二阶模型,研究了准静态校准对其激励脉宽的要求,理论上得到了不同安装谐振频率的加速度计在一定误差下对激励脉宽的要求;讨论了安装座长度对激励加速度脉冲宽度影响,认为激励加速度脉冲持续时间等于半正弦应力脉冲前沿升时,且与安装座长度无关,并从实验上得到验证。用试验和LS-DYNA计算机模拟方法研究了三种不同弹头形状对加速度计输出信号的影响,以及对杆中点应变信号的影响,认为小锥度弹头的子弹能够产生更宽的加速度脉冲宽度;研制了高g值加速度计频响分析试验装置——微小型Hopkinson杆,以及用杆端爆炸加载试验方法激励加速度,通过计算机模拟和试验,认为此过程中杆中传播的已经不是一维应力波,但其上升沿仍然足够短,试验得到的加速度脉冲最窄为6.62微秒,激起了B&K8309加速度计200KHz以上的频率响应。最后利用Hopkinson杆对988压电式加速度计进行了准静态校准。
本研究利用Hopkinson加载手段,考核了几种商用电池的抗高g值冲击性能,选择了适合弹载加速度存储测试装置的电池种类,提出了在高g值冲击下提高电池可靠性的措施;采用气体炮实验装置,在实验室进行了弹载加速度存储测试装置整体结构的抗高g值冲击性能,利用泡沫铝对测试装置电路模块进行了缓冲保护;在某弹药系统侵彻高强度混凝土试验中,利用弹前和弹尾两套加速度测试装置,成功测得了轴向加速度和三轴加速度,并采用计算机模拟得到弹体模态,再参考加速度实测信号的频谱(FFT)共同确定加速度输出信号滤波截止频率。