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一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201310562316.5

申请日:

2013.11.11

公开号:

太阳城集团CN103630449A

公开日:

2014.03.12

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01N 3/307申请日:20131111授权太阳城集团日:20160608终止日期:20161111|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 3/307申请日:20131111|||公开
IPC分类号: G01N3/307 主分类号: G01N3/307
申请人: 中国人民解放军空军工程大学
发明人: 许金余; 刘石; 陈腾飞; 王鹏; 方新宇
地址: 710051 陕西省西安市长乐东路甲字1号
优先权:
专利代理机构: 西北工业大学专利中心 61204 代理人: 慕安荣
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法律状态
申请(专利)号:

CN201310562316.5

授权太阳城集团号:

|||||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.01.05|||2016.06.08|||2014.04.09|||2014.03.12

法律状态类型:

太阳城集团专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法,根据实验中需要获取的子弹速度v确定出发射气压;由发射气压确定子弹在发射炮膛内的最优位置点,当发射气压大于等于临界气压时,最优位置点位于发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压小于等于临界气压时,确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛的最优位置点;利用定位推杆对子弹在发射炮膛内的最优位置点进行定位;调节发射气压就位,进行实验。本发明通过控制发射气压和对子弹在发射炮膛内的准确定位,实现了在霍普金森压杆实验中准确控制子弹的速度,避免了多次试打造成的设备及试件的损耗,减少了实验误差,提高了实验效率,而且提出的子弹速度控制方法操作简单、易于实现。

权利要求书

权利要求书
1.  一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法,其特征在于,具体过程如下:
步骤1,确定发射气包的发射气压P1:
发射气包内气体气压为P1,体积为V1,发射气包内高压气体在阀门打开后作用在子弹上的气压为P2,空气的绝热系数为r,子弹初始末端至发射气包靠近发射炮膛一端的距离为L1,发射炮膛横截面积为A;则由气体绝热方程:
P1V1r=P2(V1+AL1)r    (1)
将发射炮膛内原有气体对子弹的作用过程设定为等温变化过程,发射炮膛内原有气体的压强为标准大气压P0;当子弹在高压气体作用下前进位移为x时,发射炮膛内原有气体的气压变为P3,则有:
P0AL1=P3A(L1+x)    (2)
根据牛顿第二定律得:P2A+P3A-P0A=Mdvdt=Mvdvdx---(3)]]>
联立上式求解得到子弹在发射炮膛内的位置与发射气压和速度之间的关系:
v=2P1V1M(r-1)[(1+AL1V1)1-r-(1+AL1+AxV1)1-r]+2P0AL1M[ln(L1+x)-lnL1]-2P0-AxM---(4)]]>
式中,v为子弹的速度,M为子弹的质量;
由式(4)得到各种不同发射气压条件下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线,其中,随着发射气压的增加,曲线斜率开始单调变化时对应的发射气压,记为临界气压P1′;子弹在发射炮膛内最优位置点L1′与发射气压P1的关系:当发射气压P1大于等于临界气压P1′时,子弹的最优位置点L1′位于发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压P1小于等于临界气压P1′时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,斜率为零处对应的值即为最优位置点L1′;
进而得到最优位置点L1′与不同发射气压的关系曲线如图5所示,拟合关系为:
L1′=AP14+BP13+CP12+DP1+E    (5)
式中,A、B、C、D、E是子弹在发射炮膛内最优位置点与发射气压关系的拟合系数;
将确定的最优位置点L1′回带到公式(4)中,得到子弹速度与发射气压的关系曲线,所述子弹速度与发射气压的拟合关系为:
v=aP12+bP1+c    (6)
式中,a、b、c是子弹速度与发射气压关系的拟合系数;
根据所需获得的子弹速度v,通过公式(6)即可确定发射气包的发射气压P1;
步骤2,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′:
根据步骤1中得到的发射气包的发射气压P1,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′;
当发射气压大于等于临界气压时,则子弹最优位置点L1′位于发射炮膛与发射气包交接处;
当发射气压小于等于临界气压时,则根据式(5)确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′;
步骤3,对确定的最优位置点L1′定位:
当发射气压为0.6~1.0MPa时,采用定位推杆将子弹移动至发射炮膛与发射气包的交接处;当发射气压为0~0.6MPa时,采用定位推杆将子弹移动至根据式(5)确定的最优位置点L1′,并定位,以防止发射气包充气过程中可能造成的子弹的移动;定位过程如下:根据所述中得到的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′,换算成定位推杆上的刻度值;松开卡锁,滑动定位板使其上圆弧面内侧边线与该刻度值平齐;锁紧卡锁,固定定位推杆;
步骤4,完成上述步骤后,将发射气包的发射气压调节至P1,开始试验。

2.  如权利要求1所述霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法,其特征在于,最优位置点L1′为不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中斜率的绝对值最小处所对应的值:当发射气压大于等于临界气压时,不存在斜率为零的点,最优位置点L1′为斜率的绝对值最小处对应的值,即发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压小于等于临界气压时,存在斜率为零的点,最优位置点L1′为斜率为零处对应的值。

3.  如权利要求1所述霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法,其特征在于,所述对确定的最优位置点L1′定位时采用的定位推杆包括杆身、卡锁、定位板、前支撑板和后支撑板;杆身上有刻度;其中,所述后支撑板装在杆身的一端,前支撑板的初始位置为杆身刻度的起始端,通过所述后支撑板和前支撑板将杆身支撑在发射炮膛内,并使杆身与发射炮膛同轴;所述定位板套装在杆身上并位于前支撑板的外 侧。

4.  如权利要求3所述霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法,其特征在于,所述定位板为不完全的圆,其中下半圆的半径略大于发射炮膛的内半径,上半圆的半径略大于下半圆的半径,当定位板套装在杆身上时,须使该定位板上半圆的圆周表面与杆身有刻度的表面对应;上圆弧面内侧边线作为指针,以精确读数;所述卡锁套装在杆身上并位于定位板的外侧;卡锁、定位板和前支撑板作为一个整体连接在一起,能够沿杆身轴向同步移动,并通过卡锁实现对定位板和前支撑板的制动。

说明书

说明书一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法
技术领域
本发明属于材料动力学实验研究领域,具体涉及一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法。
背景技术
霍普金森压杆实验装置是一种研究材料在冲击荷载作用下的动力学特性、状态方程以及物理、化学特性常用的冲击加载工具,也是研究材料在中高应变率条件下的力学性能的主要实验加载设备,其中子弹速度是影响材料中冲击状态或应力状态的重要参数之一,因此较为精确地控制子弹速度对于采用霍普金森压杆实验装置进行的冲击加载试验是十分必要和重要的。但是,由于子弹速度受到包括气压、温度等多方面环境因素的影响,导致在冲击加载实验过程中,即使是在相同的发射气压作用下,子弹速度依然会出现较大的离散性,不利于霍普金森压杆实验的统一性控制。目前大多数相关研究均是通过经验确定子弹速度与发射气压的大致关系,而且需要通过正式实验前的多次试打来稳定子弹速度,子弹速度不易控制,所得实验结果也不够精确,在一定程度上影响了实验的效率和有效性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的霍普金森压杆实验中子弹速度无法准确控制的不足,本发明提出了一种霍普金森压杆实验子弹速度的控制方法。
本发明的具体过程如下:
步骤1,确定发射气包的发射气压P1。
发射气包内气体气压为P1,体积为V1,发射气包内高压气体在阀门打开后作用在子弹上的气压为P2,空气的绝热系数为r,子弹初始末端至发射气包靠近发射炮膛一端的距离为L1,发射炮膛横截面积为A。则由气体绝热方程:
P1V1r=P2(V1+AL1)r    (1)
将发射炮膛内原有气体对子弹的作用过程设定为等温变化过程,发射炮膛内原有气体的压强为标准大气压P0。当子弹在高压气体作用下前进位移为x时,发射炮膛内原有气体的气压变为P3,则有:
P0AL1=P3A(L1+x)    (2)
根据牛顿第二定律得:
P2A+P3A-P0A=Mdvdt=Mvdvdx---(3)]]>
联立上式求解得到子弹在发射炮膛内的位置与发射气压和速度之间的关系:
v=2P1V1M(r-1)[(1+AL1V1)1-r-(1+AL1+AxV1)1-r]+2P0AL1M[ln(L1+x)-lnL1]-2P0-AxM---(4)]]>
式中,v为子弹的速度,M为子弹的质量。
由式(4)得到各种不同发射气压条件下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线,其中,随着发射气压的增加,曲线斜率开始单调变化时对应的发射气压,记为临界气压P1′。最优位置点L1′为不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中斜率的绝对值最小处所对应的值:当发射气压大于等于临界气压时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,不存在斜率为零的点,最优位置点L1′为斜率的绝对值最小处对应的值,此时,L1′取零,即发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压小于等于临界气压时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,存在斜率为零的点,即最优位置点L1′为斜率为零处对应的值。
进而得到最优位置点L1′与不同发射气压的关系曲线,拟合关系为:
L1′=AP14+BP13+CP12+DP1+E    (5)
式中,A、B、C、D、E是子弹在发射炮膛内最优位置点与发射气压关系的拟合系数。
将确定的最优位置点L1′回带到公式(4)中,得到子弹速度与发射气压的关系曲线,所述子弹速度与发射气压的拟合关系为:
v=aP12+bP1+c    (6)
式中,a、b、c是子弹速度与发射气压关系的拟合系数。
根据获得的子弹速度v,通过公式(6)即可确定发射气包的发射气压P1。
步骤2,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′。
根据步骤1中得到的发射气包的发射气压P1,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′。
当发射气压大于等于临界气压时,则子弹最优位置点L1′位于发射炮膛与发射气包交接处。
当发射气压小于等于临界气压时,则根据式(5)确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′。
步骤3,对确定的最优位置点L1′定位。
当发射气压为0.6~1.0MPa时,采用定位推杆将子弹移动至发射炮膛与发射气包的交接处;当发射气压为0~0.6MPa时,采用定位推杆将子弹移动至根据式(5)确定的最优位置点L1′,并定位,以防止发射气包充气过程中可能造成的子弹的移动。
定位过程如下:根据所述中得到的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′,换算成定位推杆上的刻度值;松开卡锁,滑动定位板使其上圆弧面内侧边线与该刻度值平齐;锁紧卡锁,固定定位推杆。
所述对确定的最优位置点L1′定位时采用的定位推杆包括杆身、卡锁、定位板、前支撑板和后支撑板。杆身上有刻度。其中,所述后支撑板装在杆身的一端,前支撑板的初始位置为杆身刻度的起始端,通过所述后支撑板和前支撑板将杆身支撑在发射炮膛内,并使杆身与发射炮膛同轴。所述定位板套装在杆身上并位于前支撑板的外侧。所述定位板为不完全的圆,其中下半圆的半径略大于发射炮膛的内半径,上半圆的半径略大于下半圆的半径,当定位板套装在杆身上时,须使该定位板上半圆的圆周表面与杆身有刻度的表面对应。上圆弧面内侧边线作为指针,以精确读数。所述卡锁套装在杆身上并位于定位板的外侧。卡锁、定位板和前支撑板作为一个整体连接在一起,能够沿杆身轴向同步移动,并通过卡锁实现对定位板和前支撑板的制动。
步骤4,完成上述步骤后,将发射气包的发射气压调节至P1,开始试验。
综上,霍普金森压杆实验中,控制子弹速度方法如下:首先,根据实验中需要获取的子弹速度v,基于式(6)确定出发射气压。然后,由发射气压确定子弹在发射炮膛内的最优位置点,当发射气压大于等于临界气压时,最优位置点位于发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压小于等于临界气压时,根据式(5)确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛的最优位置点。之后,利用定位推杆对子弹在发射炮膛内的最优位置点进行定位。最后,调节发射气压就位,进行实验。
本发明基于气体绝热状态方程,充分考虑霍普金森压杆装置中发射炮膛内子弹由高压气体推动过程中的受力状态进行推导得到。突破了传统上凭借经验来确定子弹速度与发射气压关系的方法,该方法需要多次试打来稳定子弹速度,子弹速度不 易控制,所得实验结果也不够精确。根据子弹速度与其在发射炮膛的具体位置以及发射气压的关系,本发明通过控制发射气压和对子弹在发射炮膛内的准确定位,实现了在霍普金森压杆实验中准确控制子弹的速度,避免了多次试打造成的设备及试件的损耗,减少了实验误差,提高了实验效率,而且提出的子弹速度控制方法操作简单、易于实现。图7为设计子弹速度与实测子弹速度的偏差分析。从图中可以看出通过上述方法控制子弹速度后,可以使试验中获得的实测子弹速度与设计子弹速度的偏差有效的控制在±3%以内,完全能够满足试验精度的需要。
附图说明
图1为霍普金森压杆装置子弹发射原理示意图。
图2为定位推杆推动子弹的整体结构示意图。
图3为定位推杆的结构示意图。
图4为部分发射气压下子弹在发射炮膛内位置与子弹速度的关系曲线。
图5为子弹在发射炮膛内最优位置点与发射气压的关系曲线。
图6为子弹速度与发射气压的关系曲线。
图7为实测子弹速度与设计子弹速度的偏差曲线。
图8为本发明的流程图。
附图中:
1.发射气包;2.阀门;3.发射炮膛;4.子弹;5.泄气孔;6.定位推杆;7.杆身;
8.卡锁;9.定位板;10.前支撑板;11.后支撑板。
具体实施方式
本实施例是一种霍普金森压杆实验中子弹速度的控制方法,控制子弹速度的具体步骤如下:
步骤1,确定发射气包的发射气压P1。
图1为霍普金森压杆装置子弹发射原理示意图。发射气包1内气体气压为P1,体积为V1,发射气包内高压气体在阀门2打开后作用在子弹4上的气压为P2,空气的绝热系数为r,子弹初始末端至发射气包靠近发射炮膛一端的距离为L1,发射炮膛3横截面积为A。则由气体绝热方程:
P1V1r=P2(V1+AL1)r    (1)
将发射炮膛内原有气体对子弹的作用过程设定为等温变化过程,发射炮膛内原 有气体的压强为标准大气压P0。当子弹在高压气体作用下前进位移为x时,发射炮膛内原有气体的气压变为P3,则有:
P0AL1=P3A(L1+x)    (2)
根据牛顿第二定律得:
P2A+P3A-P0A=Mdvdt=Mvdvdx---(3)]]>
联立上式求解得到子弹在发射炮膛内的位置与发射气压和速度之间的关系:
v=2P1V1M(r-1)[(1+AL1V1)1-r-(1+AL1+AxV1)1-r]+2P0AL1M[ln(L1+x)-lnL1]-2P0-AxM---(4)]]>
本实施例中,v为子弹的速度,M为子弹质量,取30.8kg,r取为1.4,子弹长500mm,密度为7850kg/m3,发射气包的容积V1为3.5×10-2m3,到卸载孔5的距离为4.15m。
要确定子弹在发射炮膛内的最优位置点,则需要子弹在发射炮膛内的位置发生变化时,对子弹速度造成的影响最小,也就是当L1产生微小变化时所引起子弹速度的变化最小,即不同发射气压下,子弹速度与L1的关系曲线中,斜率绝对值最小处所对应的L1的值,记为最优位置点L1′。由式(4)得到各种不同发射气压条件下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线,其中,随着发射气压的增加,曲线斜率开始单调变化时对应的发射气压,记为临界气压P1′。如图4所示,本实施例中部分发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线为六条。当发射气压大于等于临界气压时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,不存在斜率为零的点,此时,L1′取零,即发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压小于等于临界气压时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,存在斜率为零的点,最优位置点L1′为斜率为零处对应的值。所述临界气压依据具体霍普金森压杆实验设备的参数确定,本实施例中,临界气压取值为0.6MPa。
子弹在发射炮膛内最优位置点L1′与发射气压P1的关系:当发射气压P1大于等于临界气压P1′时,子弹的最优位置点位于发射炮膛与发射气包交接处;当发射气压P1小于等于临界气压P1′时,不同发射气压下子弹在发射炮膛内位置与速度的关系曲线中,斜率为零处对应的值即为最优位置点L1′。
进而得到最优位置点L1′与不同发射气压的关系曲线如图5所示,拟合关系为:
L1′=AP14+BP13+CP12+DP1+E    (5)
式中,A、B、C、D、E是子弹在发射炮膛内最优位置点与发射气压关系的拟合系数,本实施例中,分别为127.27、-233.87、163.07、-51.67、6.38。
将确定的最优位置点L1′回带到公式(4)中,得到子弹速度与发射气压的关系曲线如图6所示,所述子弹速度与发射气压的拟合关系为:
v=aP12+bP1+c    (6)
式中,a、b、c是子弹速度与发射气压关系的拟合系数,本实施例中,分别为-26.86、59.60、-1.59。
根据试验中所需要获得的子弹速度v,通过公式(6)即可确定发射气包的发射气压P1。
步骤2,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′。
根据步骤1中得到的发射气包的发射气压P1,确定子弹在发射炮膛内最优位置点L1′。
当发射气压大于等于临界气压时,则子弹最优位置点L1′位于发射炮膛与发射气包交接处。本实施例中,发射气压为0.6~1.0MPa时,则子弹最优位置点L1′位于发射炮膛与发射气包交接处。
当发射气压小于等于临界气压时,则根据式(5)确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′。本实施例中,发射气压为0~0.6MPa时,则根据式(5)确定该发射气压所对应的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′。
步骤3,对确定的最优位置点L1′定位。
本实施例中,当发射气压为0.6~1.0MPa时,采用定位推杆6将子弹移动至发射炮膛与发射气包的交接处;当发射气压为0~0.6MPa时,采用定位推杆将子弹移动至根据式(5)确定的最优位置点L1′,并定位,以防止发射气包充气过程中可能造成的子弹的移动。
定位过程如下:首先,根据所述中得到的子弹在发射炮膛中的最优位置点L1′,换算成定位推杆上的刻度值;然后,松开卡锁,滑动定位板使其上圆弧面内侧边线与该刻度值平齐;最后,锁紧卡锁,固定定位推杆。
所述定位推杆6包括杆身7、卡锁8、定位板9、前支撑板10和后支撑板11组 成。杆身7上有刻度。其中,所述后支撑板11装在杆身7的一端,前支撑板10的初始位置为杆身7刻度的起始端,通过所述后支撑板11和前支撑板10将杆身7支撑在发射炮膛内,并使杆身与发射炮膛同轴。所述定位板9套装在杆身7上并位于前支撑板10的外侧。所述定位板9为不完全的圆,其中下半圆的半径略大于发射炮膛的内半径,上半圆的半径略大于下半圆的半径,当定位板9套装在杆身7上时,须使该定位板9上半圆的圆周表面与杆身7有刻度的表面对应。上圆弧面内侧边线作为指针,以精确读数。所述卡锁8套装在杆身7上并位于定位板9的外侧。卡锁8、定位板9和前支撑板10作为一个整体连接在一起,能够沿杆身轴向同步移动,并通过卡锁8实现对定位板9和前支撑板10的制动。
步骤4,完成上述步骤后,将发射气包的发射气压调节至P1,开始试验。

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