内嵌式信息系统与炮身的集成设计与分析

摘要

炮身内嵌式测试装置是未来火炮本体信息化的重要组成部分。本文以某大口径火炮为研究对象，对炮身内嵌式信息系统、通用电路以及缓冲结构方案进行设计。建立了弹丸、身管及缓冲结构的有限元模型，通过有限元仿真方法分析发射载荷条件下测试装置电子设备上的受力情况，并结合缓冲机理对缓冲结构进行优化设计。本文主要研究内容如下:
　　(1)以建设信息化火炮为目标，明确了炮身内嵌式信息系统的研究目的及功能要求。在现有火炮测试技术基础上，分析各测试方法优缺点，以监控发射过程中炮身主要信息单元的数据信息为目的，拟定了身管各信息单元的测试方案，给出了各信息单元系统组成框图。根据功能要求，对炮身内嵌式信息系统进行了总体设计。
　　(2)根据拟定的测试方案，以炮口角速度为对象，对炮身内嵌式信息系统中部分通用电路进行设计。对炮口振动角速度信号进行频谱分析，借助PADS和IAR EmbeddedWorkbench软件平台设计内嵌式测试装置的硬件和软件。通过对测试装置主要耗能模块的功耗估算，选择系统的供电电源，并通过静态试验验证系统的可行性。
　　(3)总结现有火炮测试技术，对炮身内嵌式信息系统部分测试装置进行结构设计，根据系统要求设计出部分测试装置结构简图，阐述了各测试装置的组成及功能。针对火炮发射过程中炮载测试装置电子设备在强冲击强振动环境下易损坏的问题，进行了炮载测试装置缓冲防护方案设计。
　　(4)针对测试装置防护问题，利用ABAQUS/Explicit求解器对某大口径火炮发射过程进行数值模拟，分析炮载测试装置的损坏原因，提出缓冲结构的改进方案。为了得到缓冲层材料的最佳组合方案，以降低传递到电子设备上的应力波幅值为目标，利用Isight平台集成ABAQUS软件，对缓冲层材料进行参数化，并构建BP神经网络近似模型代替有限元动力学模型，采用遗传算法对缓冲层材料参数进行优化设计。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的意义和背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 炮口振动测试方法的研究现状

1．2．2 在线监测系统的研宄现状

1．2．3 高过载下电子设备的防护研究现状

1．3 本文的主要研究内容及方法

2 炮身内嵌式信息系统的方案设计

2．1 炮身内嵌式信息系统的研究目的和意义

2．1．1 炮身内嵌式信息系统的研究目的

2．1．2 炮身内嵌式信息系统的研究意义

2．1．3 炮身内嵌式信息系统的主要功能及要求

2．2 炮身主要信息单元的测试方法

2．2．1 炮身主要信息单元

2．2．2 膛压测量单元

2．2．3 温度测量单元

2．2．4 炮口振动测量单元

2．2．5 击针位置测量单元

2．2．6 弹丸装填角测量单元

2．2．7 药室容积涓量单元

2．2．8 炮口初速测量单元

2．3 炮身内嵌式信息系统的总体设计

2．3．1 系统总体框架设计

2．3．2 实现途径

2．3．3 多传感器信息融合

2．4 本章小结

3 炮身内嵌式测试装置软硬件方案设计

3．1 炮口角速度信息分析及传感器选型

3．1．1 角速度信息频谱分析

3．1．2 角速度传感器型号

3．2 信号调理模块设计

3．3 数字部分的电路设计

3．3．1 控制芯片的选型

3．3．2 模拟信号A／D转换的实现

3．3．3 触发方式的选择

3．3．4 触发方式的实现

3．3．5 数据存储部分设计

3．3．6 无线通信模块的设计

3．4 电源电路设计

3．5 软件设计

3．5．1 软件的总体设计

3．5．2 A／D模块软件设计

3．5．3 比较器模块软件设计

3．6 调试

3．7 本章小结

4 炮身内嵌式测试装置结构方案设计

4．1 测试装置设计要求及结构简图

4．1．1 设计要求

4．1．2 膛压测试装置

4．1．3 温度测量单元

4．1．4 炮口角速度测试装置

4．1．5 炮口加速度澍试装置

4．2 测试装置防护方案设计

4．2．1 应力波传递理论

4．2．2 电路模块缓冲防护

4．2．3 缓冲结构方案设计

4．3 本章小结

5 发射载荷条件下缓冲结构有限元数值模拟及结构优化

5．1 炮身及测试模块有限元网格划分

5．1．1 有限元网格的建模方法

5．1．2 ABAQUS／ExpHcit中显式积分算法

5．1．3 弹丸结构及有限元模型

5．1．4 含膛线身管有限元建模

5．1．5 弹丸与身管耦合的有限元模型

5．1．6 ABAQUS／Explicit的接触分析

5．1．7 测试模块有限元建模

5．2 炮载测试装置缓冲结构有限元数值模拟及优化

5．2．1 火炮发射过程缓冲结构有限元数值模拟及结果分析

5．2．2 缓冲结构有限元模型参数化

5．2．3 缓冲结构优化思路与策略

5．2．4 缓冲结构优化与结果分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文