抗高过载低量程应变式加速度计优化设计

　　中图分类号:TJZ12学科分类代码:460.4020文献标识码:A

　　0引言

　　为了改进火炮、弹丸和引信的设计，需要掌握中间弹道段上弹丸飞行加速度的数据。安装在弹丸上的加速度计要适应弹丸的飞行特点，即:能够承受膛内高压力、高频振动、高温及纵向和横向的高加速度;适合外弹道上低频、低加速度值和高灵敏度的测试要求。

　　本文介绍一种根据传统应变式加速度计的原理，经过结构优化设计而成的新型加速度计。此加速度计可以保证:传感器的弹性元件在高速旋转下不发生扭转;在高过载冲击下不会坏损;传感器在弹丸出炮口时能够及时地响应低频低加速度信号。

　　1传感器原理及结构

　　应变式加速度计是依据应变效应原理设计的^【1】，结构如图1所示。设计的关键问题有:等强度梁的尺寸及自由端的最大挠度的确定、限位结构的设计、加工工艺及装配工艺等。

　　加速度计在工作时，等强度梁自由端的最大挠度等于质量块至限位结构的距离。在弹丸从启动至出膛之前，传感器虽然承受高加速度过载冲击，但限位结构限制了弹性元件的位移，等强度梁上各点所产生的位移与满量程输出时相同，从而免遭过载冲击可能导致的破坏，即具有抗高过载的能力。当弹丸飞出炮口在中间弹道上飞行时，等强度梁上各点所产生的位移在占距离范围内，位移与被测加速度成正比，具有低加速度值的测试能力。根据中间弹道段上弹丸飞行加速度测试的要求，加速度计测试范围应为。一1000m·s ^-2，抗高过载能力为2X10sm·s^-2 。

　　2等强度梁的优化设计壳体

　　2.1设计变量

　　加速度计的核心部分是等强度梁，如图2所示。等强度梁设计需确定如下几个数据:梁的厚度h、梁的实际工作长度(固定端与施加作用力点之间的距离)l、固定端宽度b ₀、材料的拉伸压缩弹性模量E、材料的许用拉应力、材料的密度P、自由端质量块的质量m。其中取自已经选定的材料，故设计变量为h、l、b ₀和m4项。

        （1)

　　2.2目标函数

　　优化的目标为应变值:的不确定度U(△的达到最小值。可以证明在梁的弹性工作范围内，若梁在垂直其表面方向以加速度a运动，在梁表面各靠近固定端处沿l方向的应变值￡为

　　式中的不确定度;质量块的质量m容易高精度计量且在使用中不受任何环境变化的影响，故式(1)中没有U(△m)项;}aI是随时间变化的t，因此直接针对U(△。)进行优化有困难。故选取如下目标函数: