Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы и технические средства исследования следов взаимодействия пули с каналом ствола 12
1.1 Обзор методов получения 3D изображений 13
1.1.1 Контактное сканирование 13
1.1.2 Сканирование лазером 16
1.1.3 Интерферометры 18
1.1.4 Фотограмметрия 20
1.1.5 Конфокальная микроскопия 25
1.1.6 Трекинговые системы 27
1.1.7 Сканирование ультразвуком 28
1.1.8 Сканирование с использованием радиоволн 30
1.1.9 Сканирование с использованием рентгеновского излучения 31
1.1.10 Магнитно-резонансная томография 32
1.1.11 Сканирование с использованием элементарных частиц 33
1.1.12 Бесконтактные пассивные сканеры 35
1.2 Обзор существующих баллистических идентификационных систем 37
1.2.1 Автоматизированная Баллистическая Идентификационная Система (АБИС) «Арсенал» 37
1.2.2 Баллистическая идентификационная система Balscan 40
1.2.3 Баллистическая идентификационная система Alias 42
1.2.4 Баллистическая идентификационная система IBIS TRAX-HD3D 43
1.2.5 Автоматизированная баллистическая идентификационная система EVOFINDER 46
1.3 Выводы к главе 1 53
Глава 2 Математическое моделирование баллистических процессов при выстреле 54
2.1 Существующие аналитические методы решения задач внутренней баллистики 54
2.2 Моделирование динамики поршня пружинно-поршневой винтовки 63
2.3 Система дифференциальных уравнений движения пули в канале ствола для пружинно-поршневой винтовки 65
2.4 Определение работ, производимых за счет потенциальной энергии пружины 67
2.5 Выводы к главе 2 71
Глава 3 Экспериментальное определение характеристик нарезной пружинно-поршневой винтовки 73
3.1 Создание и поверка оптико-электронного баллистического хронографа 73
3.2 Измерение характеристик нарезной пневматической винтовки 81
3.3 Сравнение результатов эксперимента с математической моделью 84
3.4 Выводы к главе 3 95
Глава 4 Исследование деформации пули во время выстрела в пакете конечно-элементного моделирования ANSYS Mechanical 96
4.1 Моделирование деформации пули в канале ствола нарезной пружинно-поршневой винтовки 102
4.2 Моделирование деформации пули стрелкового нарезного огнестрельного оружия 108
4.3 Выводы к главе 4 113
Глава 5 Диагностика канала ствола прибором автоматизированной баллистической экспертизы 115
5.1 Существующие методы диагностики канала ствола 117
5.2 Анализ следов на пулях нарезного оружия 121
5.3 Параметризация и создание эталонных конечно-элементных баз данных 123
5.4 Корреляция моделей с реальными образцами 127
5.5 Выводы к главе 5 135
Глава 6 Модернизация прибора автоматизированной баллистической экспертизы 137
6.1 Минимизация вибрации в оптико-механических блоках, использующих шаговые двигатели 137
6.1.1 Модернизация механизма поперечного перемещения 138
6.1.2 Определение собственных частот вибрации платы и модернизация ее конструкции 151
Заключение 159
Список использованной литературы
- Конфокальная микроскопия
- Система дифференциальных уравнений движения пули в канале ствола для пружинно-поршневой винтовки
- Измерение характеристик нарезной пневматической винтовки
- Анализ следов на пулях нарезного оружия
Конфокальная микроскопия
Лазерное сканирование относится к активным бесконтактным методам. В качестве излучателя выступают лазеры различной длины волны. В дальнометрии используются два основных способа получения информации о расстоянии до объекта - времяпролетный и триангуляционный.
В основе времяпролетного сканера лежит лазерный дальномер. Расстояние до объекта определяется при помощи регистрации времени пролета лазерного луча туда и обратно. В данном методе используется лазер для создания кратковременного импульса и сенсор для его регистрации. Зная плотность среды и учитывая постоянную скорость света в вакууме, можно определить расстояние, на которое переместился свет за время до его регистрации детектором. Если t - это время между генерацией импульса лазером и регистрацией его отражения, то формула расчета расстояния до объекта для вакуума будет иметь следующий вид: I = с Xі- Точность подобного сканера будет зависеть от точности измерения времени t Для наглядности, чтобы лазерный импульс преодолел путь в 1 мм, требуется приблизительно 3,3 пикосекунды. Расстояние определяется для одной конкретной точки в заданном направлении. Менять направление сканирования можно как перемещением самого прибора или объекта (преимущественно координатно-измерительные машины), так и при помощи системы вращающихся зеркал (преимущественно геодезические лазерные сканеры). Сканеры, работающие на подобном принципе, способны определять положение до 100000 точек за секунду. Пример сканера с подвижной лазерной головкой и сканера с системой поворотных зеркал представлен на рисунке 4 [80]. [89]
Трехмерное сканирование триангуляционным сканером Еще один метод трехмерного сканирования при помощи лазера -триангуляция. Работающие на этом принципе сканеры посылают на поверхность объекта лазерный луч, а фотоприемник фиксирует положение этой точки. За счет того, что лазер, камера и сама точка объекта формируют своеобразный треугольник эта технология и называется триангуляционной. При изменении расстояния от лазера до поверхности объекта точка изменяет положение в поле зрения камеры. Зная расстояние между лазерным излучателем и фотоприемником, а также угол, под которым они находятся друг к другу и угол камеры по отношению к объекту можно определить расстояние до него. Чаще всего используют лазерную полосу вместо точки, это позволяет ускорить процесс записи. Простейший пример триангуляционного сканера на рисунке 5 [80].
Помимо описанных методов лазер может использоваться в сканерах, использующих структурированное или модулированное освещение и в коноскопических установках. Данные методы будут описаны в отдельных подпунктах 1 главы: «фотограмметрия» и «интерференционные сканеры» соответственно.
У описанных методов лазерного сканирования есть недостатки. Размер минимальной сканируемой области ограничен размерами проецируемого лазером пятна (как правило, имеет размерность не менее десятых долей миллиметра). А достаточно высокая скорость обусловлена дискретизацией получаемых данных. При желании получить более густую сетку точек время записи растет в прогрессии. Данные недостатки не позволяют использовать этот метод в качестве основного для автоматизации сканирования пуль. Но метод триангуляции является достаточно эффективным для предварительной оценки расстояния до объекта, что может сократить время для последующего сканирования методом динамической фокусировки.
Принцип действия данных сканеров основан на различном использовании эффекта интерференции. Наиболее распространена коноскопическая голография. Лазерный луч проецируется на объект и отражается по той же траектории, но проходя через коноскопический кристалл, проецируясь на фотоэлемент. По средствам частотного анализа полученного дифракционного образца определяется расстояние до объекта. Использование только одного хода луча позволяет использовать данный метод для измерения небольших отверстий и решеток (до нанометров). Пример представлен на рисунке 6 [80].
Система дифференциальных уравнений движения пули в канале ствола для пружинно-поршневой винтовки
Современная внутренняя баллистика развивалась исходя из задач связанных с проектированием артиллерийских орудий, метательных и баллистических установок. Если говорить о ней, как о научной дисциплине, она позволяет определять силовые нагрузки, которые действуют как на снаряд и ствол, так и на различные откатные части (носитель или лафет орудия). Также внутрибаллистические характеристики служат основой и определяют характеристики и траекторию полета снаряда (внешняя баллистика). Для проектирования гильз и снарядов требуется знать, как изменяются параметры внутренней баллистики по ходу движения снаряда или в зависимости от времени.
Сама баллистика – это наука, изучающая процессы и явления, протекающие при выстреле артиллерийского орудия или баллистической установки как в канале ствола, так и на баллистической траектории. Баллистика разделяется на внутреннюю, промежуточную, внешнюю и терминальную.
Внутренняя баллистика – это наука, изучающая закономерности явлений и процессов, протекающих при выстреле во время движения снаряда в канале ствола.
Промежуточная баллистика – это наука, изучающая закономерности явлений и процессов при выстреле после прохождения снарядом дульного среза в период, пока имеет место истечение газа из канала ствола и его воздействие на снаряд.
Внешняя баллистика – это наука, изучающая движение тел (снарядов, пуль и др.) на внешней баллистической траектории.
Терминальная баллистика – это наука, изучающая процессы и явления, сопровождающие движение снаряда в преграде.
Баллистика, как наука, зародилась более 250 лет назад. Основателем именно внутренней баллистики принято считать Бенджамина Роббинса (1707-1751). Он опубликовал в 1742 г. работу «New principles of Gunnery» («Новые принципы артиллерийского дела»), которая положила начало в баллистическом проектировании орудий с использованием научного подхода. Также в XVIII в. исследованиями в области баллистики занимались Жозеф Луи Лагранж (1736-1813) и Леонард Эйлер (1707-1783), которые проработали в Российской Академии наук несколько десятков лет.
Достаточно интенсивные исследования в области теоретической и экспериментальной баллистики велись в России. Ими занимались: Майевский Н.В. (1823-1892), Альбицкий П.М. (1836-1888), Забудский Н.А. (1853-1917), Бринк А.Ф. (1851-1917), Дроздов Н.Ф. (1862-1954), Киснемский Г.П. (1853-1923), . Граве И.П. (1874-1960), Вуколов С.П. (1863-1940), Толочков А.А. (1893-1974), Серебряков М.Е. (1891-1974), Окунев Б.Н. (1897-1962), Слухоцкий В.Е. (1893-1976), Горохов М.С. (1908-1994), Вентцель Д.А. (1898-1955), Орлов Б.В. (1918-1977), Мамонтов М.А. (1906-1993). Исследованиями во Франции занимались: Эмиль Сарро (1837-1904), Жозеф-Луи Гей-Люсак (1778-1850), . Гели А. (1795-1885), Пропер Жюль Шарбонье (1862-1936), Жозеф Луивилль (1809-1882), Поль Вьель (1854-1934), Гюгонио П. (1851-1887), Ипполит Себер (1839-1930), Мюруар Х. (1880-1954), Генри Аме Резаль (1828-1896) и другие. Исследованиями в Германии занимались: Карл Кранц (1858-1945), Шмиц О., Кюттерер Р.Е., Рогла Е., Ротте, Болле Е., Швейкерт Г., Гейденрейх. Исследованиями в Англии занимались: Абель Ф.А. (1827-1902), Эндрю Нобль (1832-1915), Хант Ф.Р., Джордж Корнер. Исследованиями в США занимались: Кент Р.Х., Беннет А.А., Чаппет В.Х. (1874-1955), Уолш и другие. [12, 17, 30, 41, 61]
В наше время изучением внутрибаллистических процессов, происходящих в метательных установках и орудиях, занимаются во многих странах мира. Исследования ведутся как в экспериментальном, так и в теоретическом направлении. Основоположником внутренней баллистики в России принято считать профессора Дроздова Н.Ф. Он в 1910 г. опубликовал работу в Российской Артиллерийской Академии посвященную «Решению задач внутренней баллистики». В этом труде были изложены баллистические основы по проектированию орудий. Дроздов сформулировал базовые уравнения внутренней баллистики и представил их решение в аналитическом виде. Его работы послужили основой в дальнейшем развитии российских исследований в области методов проектирования орудий (решение прямых и обратных задач в рамках определения внутрибаллистических характеристик). В дальнейшем изучением данной области занимались такие ученые баллисты, как Окунев Б.Н., Серебряков М.Е., Гретен К.К., Оппоков Г.В., Горохов М.С., Венцель Д.А., Орлов Б.В., Слухоцкий В.Е., Платонов Н.М., Шкворников П.Н., Комаров Л.Б., Ермолаев СИ., Бетехтин С.А., Мамонтов М.А., Станюковичь К.П., Виницкий А.М., Федотов К.П., Чурбанов Е.В., Чуев Ю.В., Теверовский И.Е., Тарицын А.С., Липанов А.М., Ушаков В.М., Алдошин Г.Т., Королев А.А., Комаровский Л.В., Кулагин В.И., Ассовский И.Г., Русяк И.Г., Захаренков В.Ф., Кэрт Б.Э. и другие. Они разработали методы расчетов и проектирования различных метательных и артиллерийских установок, применяемых для самых разнообразных целей. [12, 17, 30, 41, 61]
Перед рассмотрением основных закономерностей внутренней баллистики, необходимо определить, что собой представляет выстрел. Он является сложной совокупностью механических, тепловых и химических процессов. Во время выстрела происходит очень быстрое превращение химической энергии, которой обладает пороховой заряд, в тепловую энергию. Расширяющиеся пороховые газы приводят к образованию кинетической энергии движения снаряда, заряда и откатных частей. Поскольку в данной работе в основном рассматривается пружинно-поршневая винтовка, в качестве источника начальной энергии системы выступает не химическая энергия пороха, а потенциальная энергия сжатой пружины. Основные закономерности пиростатики и пиродинамики рассматриваться не будут.
Измерение характеристик нарезной пневматической винтовки
Аналитическое решение задач внутренней баллистики не позволяет полноценно смоделировать деформации снаряда в канале ствола. Однако обширный опыт, накопленный в этой области знаний, является незаменимым при получении ряда характеристик необходимых для конечно-элементного моделирования. Уравнения внутренней баллистики рассчитаны на задачи баллистического проектирования различных орудий и способны достаточно полно описать параметры системы во время выстрела. Возможность расчета удельных давлений создаваемых центробежной силой и взаимодействием снаряда с нарезами канала ствола позволяет определять допустимые значения параметров системы, при которых не произойдет разрушение снаряда. Полученные значения можно использовать для сравнения с конечно-элементными моделями, производя таким образом их подстройку.
На основе этих уравнений можно получить основные характеристики выстрела, необходимые для конечно-элементного моделирования в ANSYS. Представленные выводы по определению работ сил во время выстрела позволяют определить значимость неучтенных факторов (таких как теплопередача, пластические деформации, истечение газа через отверстия и др.) при сравнении с экспериментально определенной энергией снаряда после прохождения канала ствола. Решение уравнений для конкретной пневматической винтовки Hatsan 125ТН и сравнение расчетного энергетического баланса с экспериментально полученными данными приводится в следующей главе. Глава 3 Экспериментальное определение характеристик нарезной пружинно-поршневой винтовки
Для конечно-элементного моделирования деформации пули в канале ствола необходимо знать ряд внутрибаллистических характеристик. Некоторые из них можно определить прямыми измерениями (геометрические размеры, сила сжатия пружины). Другие выводятся из уравнений внутренней баллистики. Также стоит задача сравнения энергетического баланса работ, производимых за счет сжатой пружины, с реальной конечной энергией снаряда. Далее приводится экспериментальное определение характеристик нарезной пружинно-поршневой винтовки Hatsan 125ТН, расчет ее внутрибаллистических характеристик и сравнение расчетной и экспериментальной энергии пули Crosman PREMIER Ultra Magnum.
Энергия пули после прохождения канала ствола определяется из суммы вращательной и поступательной кинетической энергии: Еп = п п +JLJп (45) где тп - масса пули; Vп - линейная скорость пули; Jп - вращательный момент инерции пули; Wп - угловая скорость пули.
Масса пули тп является известной, вращательный момент инерции Jп для пули типа «дьябло» определяется исходя из материала снаряда и его геометрической формы по формуле (28), угловая скорость Wп выводится из линейной скорости Vп (исходя из угла нарезов канала ствола ) по формуле (26). Таким образом определение энергии пули Eп сводится к измерению ее поступательной скорости Vп после прохождения канала ствола.
Для определения скорости пули, выпущенной из пневматического оружия был создан оптико-электронный хронограф. За основу была взята схема «open-source» проекта «Chronolite» [72]. Принципиальная схема устройства изображена на рисунке 42 [72].
Хронограф позволяет измерять точные промежутки времени между срабатывания двух оптических датчиков, установленных на определенном расстоянии друг от друга. Информацию с датчиков обрабатывает микропроцессор PIC 16F630. Внутренний счетчик микропроцессора позволяет производить отсчет времени. Временной такт задается внутренним тактовым генератором процессора. А внешний кварцевый резонатор стабилизирует эту частоту.
Сначала пуля пролетает через первый оптический датчик и приводит к его срабатыванию. Внутренний счетчик микропроцессора обнуляется и запускается новый отсчет этого счетчика. Далее пуля пролетает через второй оптический датчик и приводит к его срабатыванию. Происходит остановка счетчика. Результаты отсчета сохраняются в память.
После этого происходят вычисления значения скорости пули. Важную роль играет записанная в прошивку константа. Она определяется исходя из расстояния между оптическими датчиками. Происходит деление константы на показания счетчика. Скорость объекта определяется как отношение известного расстояния (константы) к времени (показания счетчика). Далее происходит вывод на экран значения скорости и сохранение этого параметра в энергонезависимой памяти.
Анализ следов на пулях нарезного оружия
Полученные при конечно-элементном моделировании данные могут послужить мощным инструментом для проектирования нарезного оружия. Также вызывает интерес определение степени износа оружия по деформации пули во время выстрела (диагностика оружия, судебно-криминалистическая экспертиза). Получение экспериментальных данных осложнено материально-технической базой и, в ряде случаев, невозможно без разрушения ствола оружия. Современной альтернативой является моделирование динамики процесса конечно-элементными методами.
Численные методы решения ANSYS охватывают широкий спектр физических параметров: напряжения, деформации, вибрационные характеристики, реакции от усилий и остаточные деформации. Для получения точных ответов моделирование должно учитывать все аспекты взаимодействия между различными частями рассматриваемой модели. Также имеет большое значение корректно сформированные модели материалов. Все это в комплексе должно эффективно обрабатываться совершенными расчетными алгоритмами, которые могут учесть все тонкости задачи.
В основе программного комплекса ANSYS лежит метод конечных элементов (МКЭ). Его основная идея заключается в возможности аппроксимировать моделью любые непрерывные величины (температура, перемещение, давление и т.д.). Модель представляется в виде отдельных участков (элементов). Для каждого из этих участков происходит аппроксимация кусочно-непрерывной функцией исследуемой непрерывной величины. Кусочно-непрерывная функция строится исходя из значений исследуемой величины (для конечного числа точек рассматриваемой модели). Для общего случая значение непрерывной величины заранее не известно. Требуется определить ее значения для некоторых точек внутри области. Если предположить, что числовые значения непрерывной величины известны в некоторых точках внутри области, то становится достаточно легко построить дискретную модель. Далее можно переходить к общему случаю.
Общий алгоритм создания дискретной модели для некоторой непрерывной величины имеет вид: — Исходная область, на которой определяется непрерывная величина разбивается на некоторое число элементов (подобластей). Для этих элементов существуют общие узловые точки. В совокупности форма области аппроксимируется. — Далее в исследуемой области определяется конечное число точек, которые также называются узлами. — Значения для непрерывной величины принимают изначально известными. Но в действительности их еще предстоит определить. На них накладываются дополнительные ограничения, которые зависят от физической основы задачи. — Для определения значения величины в данной области используют различные аппроксимирующие функции для значений величины в узлах. Аппроксимирующие функции обычно имеют вид кубических, квадратичных или линейных полиномов. Можно использовать для каждого элемента свой полином, но необходимым является сохранение непрерывности величины на границах элементов. Подобранный полином для данного элемента называется функцией элемента.
Рисунок 67 — Типы конечных элементов и их соединение Отсюда можно сделать вывод, что в основе метода конечных элементов лежит разделение всей модели конструкции на большое количество конечных элементов, которые соединены друг с другом в узлах, как показано на рисунке 67 а, б [86]. Все силы прикладываются к узлам. А конечные элементы не являются абсолютно жесткими.
Самыми распространенными элементами для конечно-элементного моделирования являются: пластина, оболочка, стержень и брус (рисунок 67 в). Они могут составлять как двухмерное, так и трехмерное тело. Для построения модели допускается использование разных типов элементов. Сложные конструкции моделируются путем разделения на большое количество мелких частей (элементов), которые имеют простую форму. В результате получается приближенное решение в виде поля смещений и напряжений во всей конструкции. Решение задач методом конечных элементов можно разделить на следующие основные этапы: — получение пригодной для моделирования методом конечных элементов геометрии; — создание сетки конечных элементов для геометрии; — задание граничных условий моделирования; — автоматическое численное решение конечно-элементной системы; — обработка результата моделирования. Решения ANSYS в области механики сплошной среды («Механика деформируемого твердого тела») предоставляют широкие возможности моделирования каждого прочностного аспекта изделия при использовании линейных и нелинейных методик расчета или аналитические механизмы. Продукты ANSYS включают обширные возможности динамических расчетов с учетом получения собственных частот и форм колебаний, а также гармонический анализ для определения гармонического отклика конструкции по времени, линейные и нелинейные нестационарные динамические решения, спектральные расчеты и анализ случайных колебаний. Удобная библиотека материалов позволяет работать с любой моделью, включая сложные композиционные материалы. Расчетные инструменты ANSYS позволяют работать со сложными многокомпонентными сборками и оценивать влияние каждого компонента на работу узла в целом с учетом различных типов контактных элементов, шарниров, пружин, демпферов и других специальных типов элементов. Возможности автоматической генерации расчетных сеток для любых типов геометрии, а также автоматическое создание контактных пар позволяют сократить время на подготовку расчетной модели. Контакт учитывает статическую и динамическую ортотропную и изотропную модели трения, что можно применять в задачах прочности, тепловых и многодисциплинарных расчетах. ANSYS предоставляет широкий выбор нагрузок и граничных условий, что позволяет с высокой степенью точности прогнозировать работу изделия в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, возможности параметрической оптимизации позволяют инженеру эффективно выполнять анализ чувствительности конструкции на основе набора заданных критериев и алгоритмов оптимизации. Возможности ANSYS при решении задач «Механики деформируемого твердого тела» включают большую библиотеку решателей систем линейных алгебраических уравнений. Сюда входят прямые решатели разреженных матриц (Sparse), интегральные (PCG), Jacobi conjugate gradient (JCG) и другие.
Если говорить конкретно о используемом модуле ANSYS Explicit Dynamics (продукт динамического анализа с явным типом интегрирования во времени), он необходим в тех приложениях, где численные методы с неявным типом показывают недостаточную эффективность. Программные комплексы нелинейной динамики ANSYS Explicit Dynamics позволяют разработчику оценивать последствия ударных и прочих импульсных нагружений различной природы на проектируемые объекты, а также вырабатывать меры по повышению стойкости к данным видам воздействий. Для наиболее адекватного воспроизведения описываемых физических явлений в расчетном анализе, такие задачи требуют применения специализированных инструментов. Получение расчетных данных для понимания таких сложных процессов особенно важно, когда проведение натурных испытаний слишком дорого или невозможно. Программы нелинейной динамики ANSYS дают возможность анализировать физическую картину кратковременных процессов для объектов, подвергаемых сугубо нелинейным, нестационарным динамическим нагрузкам. С помощью продуктов ANSYS можно получать представление о том, как конструкции будут реагировать на действие очень больших, предельных нагрузок. Алгоритмы, построенные на явном решении системы уравнений механики сплошных сред, позволяют достаточно точно прогнозировать такие сложные явления, как большие деформации материалов, разрушение, взаимодействие между твердыми телами и жидкостями при быстрых перемещениях поверхности раздела сред и т.д.