抗高沖擊彈載記錄儀*

靳書云，靳 鴻，張艷兵，徐 鵬，何攀峰

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

抗高沖擊彈載記錄儀*

靳書云1，2，靳 鴻1，2，張艷兵1，2，徐 鵬1，2，何攀峰3

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

針對彈載記錄儀在侵徹環(huán)境下受到高沖擊力易變形或損壞導致內(nèi)部電路測試失敗的問題，采用LS-DYNA模擬沖擊力對泡沫鋁等緩沖材料進行抗沖擊仿真，選用泡沫鋁作為緩沖材料，通過合理的機械結(jié)構，設計出高沖擊彈載記錄儀。通過侵徹3層混凝土試驗，記錄儀能夠可靠地存儲并回讀實驗數(shù)據(jù)，證明了在100 000 g高沖擊環(huán)境下記錄儀工作的可靠性。

高沖擊，仿真，兩級緩沖，侵徹

引言

隨著科學技術的進步和防御體系的發(fā)展，越來越多重要的軍事目標被掩護在地底下，并且通過多層介質(zhì)進行保護，為了摧毀這些掩體，需要用到侵徹彈，而侵徹彈記錄儀的安全性和可靠性將直接影響侵徹彈能否在正確時間和正確位置引爆［1-3］。侵徹彈在侵徹介質(zhì)時，會受到巨大的沖擊力，產(chǎn)生巨大的沖擊波，這些沖擊波具有初值高、作用時間短的特點。沖擊波在侵徹彈中傳播時會對記錄儀造成一定的破壞性，可能造成誤引爆。因此，須對記錄儀模塊采取一定的防護措施［4］。

為了對記錄儀進行保護，使記錄儀滿足試驗要求。本文通過ls-dyna對常用的緩沖材料進行抗沖擊仿真，選擇泡沫鋁和橡膠作為緩沖材料，并對機械結(jié)構進行設計，保證在高沖擊、高壓力的環(huán)境下記錄儀內(nèi)部電路仍然可以安全工作。最后，進行打靶試驗，通過回讀數(shù)據(jù)，驗證了在100 000 g高沖擊環(huán)境下彈載記錄儀工作的可靠性。

1 實驗模型設計及仿真

在侵徹環(huán)境下，彈體與介質(zhì)接觸碰撞瞬間，伴隨著很大的沖擊力，表現(xiàn)為幅值高達數(shù)萬至數(shù)十萬g、作用時間幾微秒的脈沖。在抗沖擊的環(huán)境中，常用的緩沖材料都具有較大的彈性模量，在高沖擊作用下通過自身的變形調(diào)節(jié)吸收一部分能量，因此，通過緩沖材料的作用，沖擊力幅值降低、脈寬變寬，實現(xiàn)對記錄儀的保護作用。

1.1 緩沖模型建立

使用ANSYS/LS-DYNA內(nèi)部提供三維Lagrange算法，用三維實體單元solid64進行劃分網(wǎng)格。建模采用cm-g-μs單位體系，為了減少計算量，利用結(jié)構和載荷的對稱性，建立1/4彈靶有限元模型［5］。

在仿真試驗中，作如下假設：

（1）各部分視為勻質(zhì)連續(xù)的，記錄儀模塊視為剛體，無初始應力，不計邊界效應。

（2）沖擊力沿單一方向，且不計重力作用。

（3）整個過程是絕熱的。

為了更直觀地模擬材料的緩沖性能，在沖擊模塊施加一個峰值為100 000 g、脈寬2μs的瞬間作用力（圖1）模擬侵徹過程中受到的沖擊力。沖擊力施加在沖擊模塊上，并作用在緩沖模塊上。建模過程中沖擊模塊、緩沖模塊、記錄儀模塊之間的接觸都采用面面自動接觸。實驗仿真模型如圖2所示。

1.2 材料模型和仿真參數(shù)

模擬效果的好壞，很大程度上取決于所選的材料模型和仿真參數(shù)，在查閱文獻的基礎上確定材料模型如表1所示：

表1 各模塊對應材料模型

彈性模量小、伸長率高、彈性高、強度高是橡膠的主要特征。這使得橡膠被廣泛用作隔離振動和吸收沖擊的緩沖材料。泡沫鋁是一種可通過改變密度調(diào)節(jié)彈性模量且各向同性的金屬材料，具有較高的抗彎剛度和沖擊波吸收能力［9］。尼龍、環(huán)氧樹脂因其具有較大的彈性模量，部分場合也選擇它們作為緩沖性能的材料。

本實驗中選用各材料模型相關參數(shù)如表2所示，其中用到泡沫鋁的應力應變曲線如圖3所示，水平段的應力值為4.82 MPa。

表2 材料模型相關參數(shù)

圖3 泡沫鋁應力應變曲線

圖4 應力云圖

1.3 仿真分析

對沖擊模塊施加一個峰值為100 000 g的沖擊力，模擬過程中產(chǎn)生的應力云圖如圖4所示。

以4種不同的材料作為緩沖模塊，在仿真實驗過程中，除了材料模型和參數(shù)不同外，其他條件均相同，得到加速度曲線如圖5所示：

圖5 加速度曲線

其中曲線A為沖擊部分的加速度曲線，加載峰值為100 000 g，ls-dyna選取的為質(zhì)心加速度曲線，峰值降為50 000 g，B、C、D、E分別為橡膠、泡沫鋁、尼龍、環(huán)氧樹脂作為緩沖材料時的加速度曲線，從曲線可以看出，4種材料均達到了緩沖的目的，達到峰值的時間變慢、峰值變小、脈寬變寬。分析4種材料，其中橡膠、尼龍、環(huán)氧聚酯這些高分子材料緩沖效果幾乎一樣，峰值降低為所給激勵脈沖的50%左右，泡沫鋁緩沖效果明顯較其他3種材料更好，峰值幾乎降低為所給激勵脈沖的15%，在沖擊力過后，4種材料加速度曲線變化如圖6所示。

圖6 沖擊力過后的震蕩曲線

其中A、B、C、D分別為橡膠、泡沫鋁、尼龍、環(huán)氧樹脂。可以看出，泡沫鋁的振幅遠遠小于其他3種材料、震蕩的周期卻大于其他3種材料。因此，選用泡沫鋁做緩沖材料。

2 記錄儀結(jié)構設計

記錄儀采用兩級緩沖結(jié)構，外殼使用高強度鋼作為一級緩沖，使其在高沖擊、高壓條件下不變形或變形盡量小。泡沫鋁作為二級緩沖，吸收侵徹過程中的一部分能量，從而保護記錄儀。

2.1 電路放置設計

電路板放置在殼體內(nèi)部有3種形式，如圖7所示，虛線為彈體軸線方向。彈體侵徹環(huán)境中，7-a和7-b電路放置方式在高沖擊環(huán)境下基本相同［10］，相同電路板在7-c中的放置方式占空間最大。本設計采用圖7-b的放置方式。

圖7 電路板放置方式

2.2 殼體形狀設計

殼體一般設計為立方殼體或圓柱殼體，圓柱殼體較立方殼體有以下優(yōu)點：①相同材料下，圓柱殼體比立方殼體強度高；②圓柱殼體360°對稱，而立方殼體每條楞和楞角處易出現(xiàn)應力集中，使殼體變形或損壞。

泡沫鋁布滿殼體四周，保護記錄儀用環(huán)氧樹脂灌封的電路部分，整體呈圓柱形。結(jié)構示意圖如圖8所示。

圖8 記錄儀結(jié)構示意圖

3 記錄儀原理

3.1 硬件組成

彈載記錄儀由傳感器模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、中央控制模塊、存儲模塊、信號轉(zhuǎn)換及隔離模塊、讀數(shù)及控制模塊等組成，系統(tǒng)組成框圖如圖9所示。

圖9 彈載存儲記錄儀組成框圖

3.2 軟件流程圖

軟件流程圖如圖10所示。

圖10 軟件流程圖

圖11 實測加速度曲線

4 試驗驗證

設計試驗用滑膛炮以600 m/s的出膛速度侵徹3層混凝土靶板，靶板厚0.15 m，靶間距1.2 m。試驗結(jié)束后，從彈體中取出記錄儀模塊，得到實測加速度曲線如圖11所示。

分析試驗數(shù)據(jù)，彈體侵徹三層混凝土層，加速度曲線表現(xiàn)為3個負向峰值。彈體侵徹一層混凝土過程分為兩個階段，第1階段為初始撞擊階段，表現(xiàn)在曲線上就是一個高幅值的負向脈沖，隨著彈體進一步侵徹，進入第2階段，彈頭穿過混凝土靶板，彈體在混凝土中穿出，這一階段伴隨著小的震動，也會出現(xiàn)較高的震蕩，表現(xiàn)在曲線上為小的基線抖動和小幅震蕩。當彈尾穿出，彈體基本平穩(wěn)運動，表現(xiàn)在曲線上為平滑的基線。

5 結(jié) 論

通過采用ANSYS/LS-DYNA模擬沖擊力對泡沫鋁等緩沖材料進行抗沖擊仿真，選擇泡沫鋁和橡膠作為彈載記錄儀的二級緩沖材料，并合理設計彈載記錄儀的機械結(jié)構。通過侵徹混凝土靶板試驗數(shù)據(jù)表明，在100 000 g高沖擊環(huán)境下記錄儀工作的可靠性。

［1］董力科.多層侵徹過載信號獲取技術測研究［D］.太原：中北大學，2013.

［3］王 志.小型專用記錄系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.太原：中北大學，2010.

［4］聞利群，魯建霞，張同來，等.泡沫鋁和橡膠對測試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究［J］.彈箭與制導學，2010，30（3）：223-225，232.

［5］時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2005:96-178.

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［9］王永剛，胡時勝，王禮立，等.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（6）:516-522.

［10］徐 鵬，祖 靜，李 樂.CPLD芯片抗高g值沖擊性能分析［J］.振動與沖擊，2007，26（1）:148-150.

Anti-High Impact Missile Parameters Recoder

JIN Shu-yun1，2，JIN Hong1，2，ZHANG Yan-bing1，2，XU Peng1，2，HE Pan-feng3
（1.Science and Technology on Electric Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Danamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Bengbu 233010，China）

For missile parameters recorder test failure due to deformation or damage in penetration high impact，adopting ls-dyna to simulate anti-impact of foam aluminum buffer material，selecting the aluminum foam and rubber as the secondary buffer material，an anti-high overload missile parameters recorder is designed by the reasonable mechanical structure.It proves that the rationality and feasibility of the recorder in 100 000 g high impact environment through recorder can store and read back the test data in penetrating 3 layers concrete target.

high impact，simulation，secondary buffer，penetration

TJ206

A

1002-0640（2014）10-0053-03

］魯建霞.測試儀器防護技術在爆炸環(huán)境中的仿真研究［D］.太原：中北大學，2009.

10.7666/d.y1509491.

2013-07-05

2013-10-07

國家自然科學基金（51275488）；國家重點實驗室基金（403120C12056）；中北大學第十屆研究生科技基金資助項目（20131036）

靳書云（1989- ），女，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向：動態(tài)測試與智能儀器、虛擬儀器。