基于正交試驗(yàn)法的硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置參數(shù)尋優(yōu)

歐陽(yáng)智江　鄧志剛　張志旭　陸家富　張　平

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所　四川綿陽(yáng)　621999)

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基于正交試驗(yàn)法的硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置參數(shù)尋優(yōu)

歐陽(yáng)智江鄧志剛張志旭陸家富張平

(中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所四川綿陽(yáng)621999)

摘要：硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置在撞擊試驗(yàn)中可用于保護(hù)存儲(chǔ)器不被破壞。為了獲得較優(yōu)的保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸，采用正交試驗(yàn)法對(duì)各個(gè)影響參數(shù)展開撞擊仿真分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同結(jié)構(gòu)尺寸下，存儲(chǔ)器受到的最大加速度以及最大有效應(yīng)力差異較大，且規(guī)律性不強(qiáng)，而采用正交試驗(yàn)法可快速獲得相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置正交試驗(yàn)法仿真加速度應(yīng)力

炮彈高速撞擊靶板的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果(如應(yīng)力波傳遞規(guī)律)主要通過攜帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得，為了確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在撞擊時(shí)不被破壞，就需要采用保護(hù)裝置對(duì)其加以保護(hù)[1-3]。

硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置應(yīng)具備良好的動(dòng)力學(xué)特性，而借助計(jì)算機(jī)仿真軟件可直觀模擬相應(yīng)的撞擊過程[4]。通過選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行撞擊仿真分析，并對(duì)比各個(gè)參數(shù)下的仿真結(jié)果，即可獲得最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。

正交試驗(yàn)法根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，是一種高效率、快速和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[5]。對(duì)于這種多因素、多水平的試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)法可在較少算例的情況下獲得相對(duì)可靠的結(jié)果。

硬回收物理試驗(yàn)的成本高、周期長(zhǎng)，為了降低成本、提高可靠性，本文在總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金的支持下，針對(duì)硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步的物理試驗(yàn)做好預(yù)研工作。

1硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置簡(jiǎn)介

某硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該保護(hù)裝置將存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過封裝材料和減振橡膠灌封在圓柱筒體中，并加端蓋壓緊。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集撞擊過程中的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，而存儲(chǔ)器則用于存儲(chǔ)采集到的過程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后，需要讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，因此該裝置最主要的目的是使存儲(chǔ)器不被破壞。

圖1　保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2試驗(yàn)條件與尋優(yōu)參數(shù)

2.1假設(shè)試驗(yàn)條件

為了快速模擬保護(hù)裝置的撞擊特性，在此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留圓柱筒、端蓋、封裝材料和存儲(chǔ)器(重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象)。此外，僅考慮正撞擊的情形，并采用1/2模型進(jìn)行仿真分析。

仿真過程中，圓柱筒和端蓋的材料初定為鈦合金，封裝材料為橡膠，靶板材料為鋁合金。對(duì)于存儲(chǔ)器，一般有金屬外殼保護(hù)，可通過外殼的受力情況以及整體加速度結(jié)果判定其安全性，故也可采用鋁合金代替。

仿真過程中，保護(hù)裝置整體的撞擊前速度初定為200 m/s，而被撞擊的靶板厚度為4 cm(確保不被撞穿)。

2.2確定尋優(yōu)參數(shù)

經(jīng)過簡(jiǎn)化后，裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于使用過程中該保護(hù)裝置預(yù)留的空間為φ10 cm×10 cm，故外殼的整體尺寸不能改變，此外，存儲(chǔ)器的大小也已經(jīng)固定(假設(shè)為φ5 cm×1 cm)。經(jīng)初步判斷，認(rèn)為外殼底部的厚度A、蓋板的厚度B、筒壁的內(nèi)徑D以及存儲(chǔ)器距離底面的高度H對(duì)撞擊結(jié)果有較大影響。由于不確定各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)果影響的關(guān)聯(lián)性如何，故假設(shè)其相互獨(dú)立，并將A，B，D和H全部作為尋優(yōu)參數(shù)。

圖2　簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與尋優(yōu)參數(shù)

為了減少仿真次數(shù)，4個(gè)尋優(yōu)參數(shù)各選取3種尺寸，即A=0.5cm,1cm,1.5cm；B=0.5cm,1cm,1.5cm；D=9cm,8cm,7cm,H=2cm,4cm,6cm。對(duì)所有參數(shù)的尺寸進(jìn)行排列組合，可獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的仿真結(jié)果，從而選出最優(yōu)的組合。圖3展示了某一組合下的仿真結(jié)果。

圖3　撞擊仿真結(jié)果示例

3正交試驗(yàn)法參數(shù)尋優(yōu)

針對(duì)前文設(shè)定的尋優(yōu)參數(shù)，若完全進(jìn)行排列組合，則需要進(jìn)行81次仿真分析，工作量過于龐大。為了快速獲得相對(duì)可靠的參數(shù)組合，決定采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行分析。

該問題屬于4因素3水平情況，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響?yīng)毩ⅲ锤饕蛩夭淮嬖诮换プ饔?，故可采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)安排[6]。

為了最大限度確保存儲(chǔ)器不被破壞，撞擊過程中存儲(chǔ)器受到的最大應(yīng)力越小越好，存儲(chǔ)器在撞擊方向的最大加速度也是越小越好。因此，可選取存儲(chǔ)器模型中某一固定位置單元的有效應(yīng)力以及存儲(chǔ)器整體在撞擊方向上的加速度進(jìn)行分析，并提取相應(yīng)撞擊過程中的最大有效應(yīng)力σmax和最大加速度amax作為最終結(jié)果。

經(jīng)過仿真分析，各條件下的計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中K1,K2,K3分別代表各因素在各水平下相應(yīng)σmax或amax的總和。

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表1可見，σmax在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的偏差非常大，最大值與最小值相差3個(gè)數(shù)量級(jí)；而amax在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的數(shù)量級(jí)都一樣，不過最大值是最小值的2倍以上，說(shuō)明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)撞擊結(jié)果的影響不容忽視。

基于表1的結(jié)果，若僅追求所提取點(diǎn)的最大有效應(yīng)力σmax最小，則A,B,D,H應(yīng)分別選擇第3,1,3,2個(gè)水平，即A3B1D3H2為最優(yōu)解，剛好對(duì)應(yīng)表中的7#試驗(yàn)；若僅追求存儲(chǔ)器整體的最大加速度amax最小，則A3B1D2H3為最優(yōu)解，即A=1.5 cm,B=0.5 cm,D=8 cm,H=6 cm，該結(jié)構(gòu)參數(shù)不在所列的表中。對(duì)比兩種最優(yōu)解的參數(shù)選取結(jié)果，初步可以判定A越大、B越小越有利于保證存儲(chǔ)器的安全性，而D與H對(duì)結(jié)果的影響規(guī)律不一致。

4優(yōu)化結(jié)果分析

基于上文的分析，A3B1D3H2(即7#試驗(yàn))的最大有效應(yīng)力σmax最小，故提取對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力變化曲線(如圖4)進(jìn)行分析。

圖4　7#試驗(yàn)有效應(yīng)力變化曲線

由圖4發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)撞擊過程中該單元的有效應(yīng)力處于持續(xù)上升的趨勢(shì)，不好判定是否已經(jīng)到達(dá)最高點(diǎn)，但應(yīng)力值比較低。而相應(yīng)整個(gè)存儲(chǔ)器的加速度變化曲線如圖5，在30 μs左右加速度就達(dá)到了最大值。說(shuō)明該提取點(diǎn)在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下不能反映整體結(jié)構(gòu)的受力情況，有必要選擇存儲(chǔ)器上其它的單元展開受力過程分析，才能更好確定結(jié)構(gòu)是否安全可靠。

圖5　7#試驗(yàn)加速度變化曲線

由上文分析，A3B1D2H3(取為10#試驗(yàn))的最大加速度amax應(yīng)為最小。為進(jìn)一步確認(rèn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，最終存儲(chǔ)器整體的加速度變化曲線如圖6所示，其最大加速度為1.22E7 m/s2，在所做的算例中確實(shí)屬于最小。

圖6　10#試驗(yàn)加速度變化曲線

為判定所選的單元在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下是否具有代表性，提取相應(yīng)的有效應(yīng)力變化曲線(如圖7)，發(fā)現(xiàn)其最大有效應(yīng)力為6.05E2 MPa，數(shù)量級(jí)與表1中的大部分結(jié)果一致。

圖7　10#試驗(yàn)有效應(yīng)力變化曲線

進(jìn)一步對(duì)比圖6和圖7，發(fā)現(xiàn)所選取的單元在40 μs左右有效應(yīng)力最大，與存儲(chǔ)器整體加速度最大值出現(xiàn)的時(shí)刻點(diǎn)比較接近，說(shuō)明該單元可較好反映整體結(jié)構(gòu)的受力情況。而有效應(yīng)力在30 μs左右出現(xiàn)了尖峰，與整體加速度變化趨勢(shì)不太一致，說(shuō)明該撞擊過程較復(fù)雜，不能單獨(dú)依靠某一單元的受力情況進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)安全性判定，而應(yīng)多提取不同位置的單元或者所有單元進(jìn)行分析。

5結(jié)論

(1)硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置在不同結(jié)構(gòu)尺寸下，存儲(chǔ)器整體受到的最大加速度差異較大，有必要針對(duì)不同的尺寸組合進(jìn)行對(duì)比研究。

(2)硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置在不同結(jié)構(gòu)尺寸下，存儲(chǔ)器某一特定位置的受力結(jié)果差異很大，不能以某位置的受力情況對(duì)整個(gè)裝置的安全性進(jìn)行判定。

(3)采用正交試驗(yàn)法對(duì)硬回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可快速獲得相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

(4)保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)存儲(chǔ)器受力結(jié)果的影響規(guī)律性不強(qiáng)，為了快速獲得更優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在后期的工作中有必要采用其它優(yōu)化算法進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

參考文獻(xiàn)

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[6]楊子胥. 正交表的構(gòu)造[M]. 濟(jì)南:山東人民出版社, 1978.

Parameter Optimization for Protection Device

Based on Orthogonal Testing Method

OUYANG Zhi-jiang, DENG Zhi-gang, ZHANG Zhi-xu,

LU Jia-fu, ZHANG Ping

(InstituteofSystemsEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

Abstract:The data storage protection device in hard recovery impact test can protect the memorizer far from destroyed. In order to obtain the better structure size of protection device, impact simulation had been done and every affect parameter was analyzed by orthogonal testing method. The results show that: in different structure sizes, the memorizer’s maximum accelerations and maximum effective stresses with great difference. And the laws between different sizes are not obvious. Using the orthogonal testing method we can quickly achieve the relative ideal structure parameters.

Key words:Orthogonal testing method; Simulation; Acceleration; Stress; Optimization

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-8755(2015)04-0056-04

作者簡(jiǎn)介:歐陽(yáng)智江(1987—)，男，助理工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與仿真。E-mail: hjouyangzj@caep.cn

基金項(xiàng)目:中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金資助項(xiàng)目(14cxj29)。

收稿日期：2015-07-01