مدل‌سازي يك‌ بعدي و بهينه‌ سازي پرتابگرگازي دومرحله‌ اي به روش پاسخ سطح

One-dimensional modeling and optimization of two-stage light gas launcher with response surface methodology

پرتابگرهاي گازي، بخش مهمي از دستگاههاي آزمايش ضربه هستند كه كاربردهاي فراواني در شناخت خواص مواد دارند. انجام برخي آزمايشها نياز به پرتاب در سرعت‌هاي بالا دارد كه پرتابگرهاي تكمرحلهاي قادر به پرتاب در چنين محدوده سرعتي نميباشند، لذا از پرتابگرهاي دومرحلهاي بدين منظور استفاده ميگردد. پارامترهاي متعددي عملكرد اين گونه پرتابگرها را تحت تاثير قرار ميدهد. براي تنظيم بهينه اين پارامترها، مدلسازي و بهينهسازي پرتابگر امري ضروري و غير قابل اجتناب است. بدين منظور در اين مقاله مدلي يكبعدي براي تعيين كارآيي پرتابگر و بهينهسازي آن پيشنهاد ميگردد كه در آن از اطلاعات تجربي نرخ سوختن جهت مدلسازي احتراق استفاده گرديده است. براي بررسي صحت مدل پيشنهادي و شبيه‌سازي پرتابگر، نتايج براي چندين حالت با نتايج تجربي مقايسه شدهاست كه نشان ميدهد مدل مورداستفاده از دقت كافي برخوردار است. نتايج حاصل از مدلسازي يكبعدي براي بهينهسازي عملكرد پرتابگر و تعيين مقادير بهينه پارامترهاي مختلف استفاده ميگردد. علاوه بر اين، مدل يكبعدي ارايهشده ميتواند براي محاسبات طراحي اوليه پرتابگر و بررسي امكانپذيري ساخت و تخمين هزينهها مورد استفاده قرار گيرد. در اين تحقيق از روش آماري پاسخ سطح براي يافتن مدلهاي چندجملهاي درجه دو براي پاسخ سرعت و فشار استفاده شده است و سپس از اين مدلها جهت كمينهسازي فشار بيشينه وارد بر پرتابه در شرايط مختلف، از روش سيمپلكس استفاده شدهاست. در نهايت جهت تسهيل استفاده از پرتابگر گازي دومرحلهاي، منحني و جدول عملكردي پرتابگر ارايه شدهاست كه براي عملكرد بهينه پرتابگر ميتواند مورد استفاده قرار گيرد.

Gas launchers are an important part of impact testing apparatus which have many applications in material parameters identification. Some experiments call for very high velocity which is beyond the limit of one-stage gas launchers; thus, two-stage gas launchers are employed. Several parameters affect the operation of such launchers. For optimum adjustment of such parameters, modeling and simulation is necessary and inevitable. To this end, in this paper, a one dimensional model for a two-stage light gas launcher is proposed and utilized for performance optimization. To simulate combustion, experimental data for burning rate has been used. The proposed model is verified by comparing its predictions with the available experimental data. It is shown that the proposed model is accurate enough to predict the two-stage light gas launcher performance. The results of one dimensional model can be used in the basic design of the launcher to investigate the feasibility of manufacturing and estimate the costs. Moreover, the model is used to optimize the launcher performance as well as to determine optimum parameters. The statistical method of response surface is employed to find suitable second order polynomial models to predict the projectile velocity and maximum base pressure. The presented models are used to maximize the projectile velocity as well as to minimize the maximum projectile base pressure. To this end, Simplex method is employed to minimize the maximum base pressure in different conditions. Finally, the table of optimum conditions is presented to simplify the optimum use of the two-stage light gas launcher.