雙層殼體防護結(jié)構(gòu)抗高沖擊可靠性研究

周優(yōu)良，丁永紅，劉雪飛，劉雙峰，牛躍聽

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050003)

雙層殼體防護結(jié)構(gòu)抗高沖擊可靠性研究

周優(yōu)良1,2，丁永紅1,2，劉雪飛1,2，劉雙峰1,2，牛躍聽3

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；3.軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050003)

針對回收式彈載記錄儀在硬著陸瞬間因高沖擊會使記錄儀扭曲變形而導(dǎo)致內(nèi)部電路損壞失效的問題，提出了一種抗高沖擊的雙層殼體復(fù)合防護結(jié)構(gòu)。結(jié)合先驗數(shù)據(jù)模擬仿真記錄儀硬著陸侵徹受力過程，確定垂直侵徹記錄儀承受最大沖擊過載，以此為基礎(chǔ)設(shè)計落錘沖擊試驗研究雙層防護殼體對高沖擊過載能量傳遞的衰減特性。試驗結(jié)果表明在瞬時沖擊過載峰值小于25 000g時，雙層殼防護結(jié)構(gòu)能有效衰減沖擊能量，吸能效果可達50%，可以保護內(nèi)部電路安全。

儀器儀表技術(shù)；雙層殼；抗高沖擊；落錘試驗；能量吸收；可靠性

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及未來戰(zhàn)爭中準(zhǔn)確攻擊目標(biāo)的需求，需要對導(dǎo)彈飛行過程中自身的動態(tài)參數(shù)進行精確分析。回收式彈載記錄儀安裝于導(dǎo)彈內(nèi)部，完成導(dǎo)彈飛行動態(tài)參數(shù)的測試存儲。記錄儀在回收著陸過程中，會受到高達20 000g的瞬時過載加速度沖擊[1]，記錄儀若無合理有效的防護措施則會出現(xiàn)裝置損壞無法獲得寶貴試驗數(shù)據(jù)的情況。姚熊亮等人對應(yīng)用于潛艇的雙層殼結(jié)構(gòu)進行了仿真分析研究[2]，唐永剛從聲學(xué)角度對雙層圓柱殼抗沖擊特性進行了仿真研究[3]。筆者提出了一種抗高沖擊的雙殼體防護結(jié)構(gòu)，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于彈載記錄儀，著重研究雙殼體結(jié)構(gòu)對記錄儀在受到高沖擊下的防護作用，并對實測信號進行處理，分析雙殼體防護結(jié)構(gòu)在高沖擊下的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證防護結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 能量衰減原理

1.1 應(yīng)力波的衰減

在記錄儀著陸瞬間受到高沖擊載荷作用這一過程中，存在著應(yīng)力波在記錄儀殼體內(nèi)傳播[4]。對于彈性應(yīng)力波在復(fù)雜多層材料介質(zhì)中的傳播，其衰減研究可以參照式(1)進行[5]:

(1)

式中：n是總層數(shù)；i是層的編號，最外層為1，由外向內(nèi)依次增加1,應(yīng)力波由第i層向第i+1層入射;εi+1是透射層材料中應(yīng)力波強度;εi是入射層材料中應(yīng)力波強度；βi是入射層材料的聲阻抗；βi+1是透射層材料的聲阻抗。

根據(jù)式(1)可知:當(dāng)入射層介質(zhì)的聲阻抗遠遠高于透射層介質(zhì)的聲阻抗時，透射層介質(zhì)里的應(yīng)力波強度將遠遠低于入射層介質(zhì)里的應(yīng)力波強度。

1.2 橡膠吸能特性

目前通常用吸能曲線法來評估緩沖材料的吸能特性，其表達式為[6]

(2)

式中：E為材料的吸能效率；I為材料理想吸能效率；σm為轉(zhuǎn)折點應(yīng)力；εm為相應(yīng)應(yīng)變。

由式(2)可知E、I越大，材料的吸能效果越好。經(jīng)查閱文獻可知橡塑橡膠的理想吸能率可達53%[7]。

2 防護殼體的設(shè)計及仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使應(yīng)力波在透射過程中得到有效的衰減，彈載記錄儀采用聲阻抗差別較大的多層材料構(gòu)成的復(fù)合防護結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)應(yīng)包括硬結(jié)構(gòu)層、軟結(jié)構(gòu)層、緩沖層及穩(wěn)固層4個級別的緩沖層。具體來說是一種由外層空心圓柱嵌套內(nèi)層空心圓柱、內(nèi)外層圓柱殼體間用橡膠作為緩沖材料、電路板與內(nèi)層殼體一體化灌封的結(jié)構(gòu)。

記錄儀在硬著陸回收途中，其本身要受到兩方面的力，一是與地面接觸瞬間產(chǎn)生的巨大碰撞力；二是記錄儀本身在高速狀態(tài)下的慣性作用力[8]。記錄儀外殼使用鋁殼作為一級防護裝置，通過機械形變吸納記錄儀與地面瞬時碰撞產(chǎn)生的高過載沖擊，同時以橡膠作為雙層殼體間的緩沖介質(zhì)，避免內(nèi)外殼之間的剛性接觸，延長沖擊過程，降低瞬時沖量。內(nèi)殼使用經(jīng)淬火處理后的高強度合成鋼35CrMnSiA為殼體材料，防止殼體形變對內(nèi)部電路的損壞，同時內(nèi)部電路使用環(huán)氧樹脂進行灌封，通過高強度材料和內(nèi)部電路獨立灌封的方式吸納測試儀本身的慣性作用力。記錄儀多層復(fù)合防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以每層吸納不同能量為出發(fā)點，盡可能吸收碰撞過程中的沖擊能量，減少沖擊波對內(nèi)置電路板造成損傷，使記錄儀具有抗高沖擊、耐濕熱環(huán)境的能力。

記錄儀防護結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示。由圓柱鋁外殼、橡膠(緩沖材料)、合成鋼內(nèi)殼、存儲電路等部分組成。

2.2 建立模型

雙層防護殼體材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示，根據(jù)參數(shù)確定內(nèi)外殼均采用彈塑性模型PLASTIC-KINEMATIC。雙層殼體間緩沖材料選擇使用橡膠，橡膠采用BLATZ_KO_RUBBER模型[9]；灌封材料選擇環(huán)氧樹脂，模型選擇使用PLASTIC- KINEMATIC[10]，二者相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 內(nèi)外防護殼材料參數(shù)

表2 橡膠及灌封材料參數(shù)

侵徹碰撞的過載加速度a(t)是關(guān)于時間的歷程函數(shù)，同時受記錄儀防護模型落地的速度、角度、材料結(jié)構(gòu)參數(shù)以及地面模型的厚度h等因素影響[11]，侵徹過載加速度表達式為

a(t)=f(v0,θ,λ,s,γ,h)

(3)

式中:λ為彈形修正系數(shù)；v0和θ分別為彈載記錄儀防護殼模型侵徹目標(biāo)地面的速度和角度；h為地面厚度；γ為地面介質(zhì)特性參數(shù)；s為過載傳感器相對于防護殼的安裝位置參數(shù)。

結(jié)合以往試驗數(shù)據(jù)可知記錄儀著陸為中速侵徹，仿真時取初速度v0為500m/s[12],因此以該速度進行彈載記錄儀防護模型侵徹不同厚度的混凝土地面的模擬仿真，仿真中俯仰角θ范圍為0°～ 90°。模擬彈載記錄儀分離彈體后著陸的侵徹碰撞過程，考查在侵徹碰撞過程中內(nèi)腔殼體的結(jié)構(gòu)可靠性，為回收式記錄儀防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。彈載記錄儀侵徹混凝土地面的幾何模型如圖2所示。

2.3 仿真結(jié)果與分析

圖3是幾種典型俯仰角下彈載記錄儀侵徹混凝土地面時的等效應(yīng)力云圖。為了不影響仿真結(jié)果，不同俯仰角對應(yīng)靶體厚度相同，確保不會因靶體厚度而影響仿真結(jié)果。

由不同俯仰角的應(yīng)力云圖可知，相同著陸初速情況下，彈載記錄儀著陸所受過載因著陸俯仰角的不同而不同。隨著角度的增加，記錄儀侵徹地面越深，同時彈載記錄儀也發(fā)生了不同程度的彎曲變形和損傷。當(dāng)俯仰角度減小時，彈載記錄儀會在地面阻力作用下，沿著弧線飛出混凝土面，并在與混凝土地面多次碰撞后停止。由不同俯仰角的應(yīng)力云圖可知，記錄儀在垂直下落時受到的過載最大，下面著重分析俯仰角為90°時，過載對彈載記錄儀防護殼的影響。

3 試驗驗證及分析

為了驗證彈載記錄儀防護結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，筆者設(shè)計了彈載記錄儀存儲系統(tǒng)，可實現(xiàn)完整采集數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的功能。

3.1 記錄儀存儲系統(tǒng)構(gòu)成

存儲測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示，數(shù)據(jù)采集接口電路對傳感器采集到的加速度模擬信號進行放大、濾波處理后，模擬信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，每轉(zhuǎn)換一次后的數(shù)字信號由CPLD進行混合編幀生成2個字節(jié)的編碼并依次寫入記錄儀存儲芯片，存儲完成后上位機通過USB讀數(shù)接口將記錄儀中的數(shù)據(jù)讀出，并由上位機數(shù)據(jù)處理軟件進行波形顯示。

3.2 落錘沖擊試驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證所設(shè)計彈載記錄儀的抗沖擊性能，在如圖5(a)所示的落錘式?jīng)_擊試驗臺上進行間隔40min沖擊加速度逐漸遞增的沖擊試驗。試驗時將記錄儀固定于沖擊臺上，如圖5(b)所示，臺面上裝有標(biāo)準(zhǔn)傳感器，由邏輯分析儀采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)，并與記錄儀采集存儲的數(shù)據(jù)作對比。

對2個相同的彈載記錄儀裝置分別進行了沖擊試驗，圖6、7分別是裝置1與裝置2外殼傳感器BM1002、內(nèi)殼傳感器BM1002實測16組有效數(shù)據(jù)擬合的曲線圖，其中以標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集到的加速度峰值為橫坐標(biāo)，內(nèi)外殼傳感器采集到的加速度峰值為縱坐標(biāo)。

結(jié)合圖6、7實測試驗數(shù)據(jù)進行分析可得：

1)外殼受到的沖擊響應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)傳感器測得的加速度值小，說明殼體在沖擊瞬間存在能量的耗損，從而導(dǎo)致測得數(shù)據(jù)偏小。

2)內(nèi)殼所受沖擊小于外殼所受沖擊，并且隨著沖擊力的增大，內(nèi)外殼能量傳遞比減小，表明所設(shè)計的雙層殼體結(jié)構(gòu)起到了吸收能量、減振的作用。

圖8為兩套裝置所受沖擊加速度與傳遞比的曲線。傳遞比定義為內(nèi)殼傳感器加速度值與外殼傳感器加速度比值，該比值越小說明雙層復(fù)合防護結(jié)構(gòu)對沖擊過載衰減越大，防護殼保護作用越強。

由圖8可知同一防護結(jié)構(gòu)，其防護性能具有較好的一致性，但對不同沖擊響應(yīng)防護性能又略有不同。分析圖8可知設(shè)計的防護結(jié)構(gòu)在25 000 g范圍內(nèi)具有良好的能量衰減作用，且在15 000 g以上能量吸收衰減效果更好。

圖9為記錄儀傳感器在18 660 g高沖擊條件下測試數(shù)據(jù)，實線表示的加速度曲線為外殼傳感器采集到的數(shù)據(jù)，虛線表示的加速度曲線為內(nèi)殼傳感器采集到的數(shù)據(jù)，由此可知雙層防護結(jié)構(gòu)能有效地保護記錄儀不受損壞。

4 結(jié)束語

筆者提出了一種應(yīng)用于抗高過載記錄儀的雙層殼體防護結(jié)構(gòu)，并通過試驗表明測試裝置在受到20 000 g的沖擊后，內(nèi)殼所受沖擊僅在10 000 g左右，大部分沖擊能量被防護裝置有效吸收，裝置外殼僅發(fā)生微小形變，且內(nèi)部電路工作正常。以此證明設(shè)計的高過載測試系統(tǒng)防護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、選材得當(dāng)，能有效地防護高過載對記錄儀影響。

)

[1]徐鵬,祖靜,范錦彪. 高g值侵徹加速度測試及其相關(guān)技術(shù)研究進展[J].兵工學(xué)報,2011,32(6):739-745.XUPeng,ZUJing,FANJinbiao.Researchdevelopmentofhighgenetrationaccelerationtestanditscorrelativetechnology[J].ActaArmamentarii,2011,32(6): 739-745.(inChinese)

[2]姚熊亮,梁德利,許維軍. 雙層殼結(jié)構(gòu)抗沖擊性能仿真研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2004,25(3):267- 273. YAO Xiongliang, LIANG Deli, XU Weijun.Research on the simulation of anti-shock capability of double shell[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2004,25(3):267-273. (in Chinese)

[3]唐永剛. 雙層圓柱殼的抗沖擊特性研究[J].船舶力學(xué), 2010,14(11): 1284-1289. TANG Yonggang. Study on anti-shock characteristic of double-layer cylindrical shell[J].Journal of Ship Mecha-nics, 2010,14(11):1284-1289. (in Chinese)

[4]王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005. WANG Lili.Foundation of stress wave[M].Beijing: National Defense Industry Press,2005. (in Chinese)

[5]趙良，田恒春.硬回收裝置的設(shè)計探討[J]. 彈箭與制導(dǎo)

學(xué)報,2005,25(4): 294-297. ZHAO Liang,TIAN Hengchun. Research on hard recovery system[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2005,25(4): 294-297. (in Chinese)

[6]MILTZ J,GRUENBAUM G. Evaluation of cushioning properties of plastic foams from compressive measurements[J]. Polymer Engineering & Science, 1981,21(15) : 1010-1014.

[7]賈丁治,茍瑞君. 復(fù)合橡膠的吸能特性研究[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(1):174-175. JIA Dingzhi, GOU Ruijun .Study on the energy absorption characteristic of the composite rubber[J].Sci-Tech Information Development & Economy,2006, 16(1):174-175. (in Chinese)

[8]羅振貴,鄭永秋,李圣昆.固態(tài)記錄器在遙測數(shù)據(jù)回收中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(7):111- 114. LUO Zhengui,ZHENG Yongqiu, LI Shengkun. Application of solid-state recorder in telemetry data recovery[J].Modern Electronics Technique, 2013,36(7):111- 114. (in Chinese)

[9]尤文斌,丁永紅,祖靜,等.彈底過載存儲記錄儀[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2012,32(5):145-146,151. YOU Wenbin,DING Yonghong,ZU Jing,et al. Projectile breech overload recorder[J]. Journal of Projectiles, Rockets,Missiles and Guidance,2012,32(5):145-146, 151. (in Chinese)

[10]靳書云,靳鴻,張艷兵,等.彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀抗高沖擊設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2014 (4):463- 466. JIN Shuyun, JIN Hong, ZHANG Yanbing,et al. Anti-impact design for missile accelerometer recorder[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2014(4):463-466. (in Chinese)

[11]張清爽.彈丸侵徹裝甲鋼板過載特性數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2009,29(4):133-135. ZHANG Qingshuang.Numerical simulation of overload characteristics when projectile penetrating armored steel plate[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2009,29(4): 133-135. (in Chinese)

[12]程怡豪,王明洋,施存程,等.大范圍著速下混凝土靶抗沖擊試驗研究綜述[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版, 2015,49(4): 616-625,637. CHENG Yihao,WANG Mingyang,SHI Cuncheng,et al. Review of experimental investigation of concrete target to resist missile impact in large velocity range[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2015,49(4): 616-625,637. (in Chinese)

Research on the Anti-shock Reliability of Double Shell Protective Structure

ZHOU Youliang1,2,DING Yonghong1,2,LIU Xuefei1,2,LIU Shuangfeng1,2,NIU Yueting3

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,NUC,Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.Key Laboratory for Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,NUC,Taiyuan 030051,Shanxi,China;3.Ordnance Technological Research Institute, Shijiazhuang 050003, Hebei,China)

Aiming at the problem of the distortion of the retrievable missile borne recoder caused by high impact can lead to the damage of the internal circuit when it lands on the hard surface, this paper demonstrates an anti-high shock double shell composite protective structure. In combination with priori data simulating the force procedure of the recorder’s landing on the hard surface, with vertical penetration can make recorder bear the maximum shock overload as a test. Base on this, this paper designs drop hammer test to study the damping characteristics of double shell protective structure under high impact overload energy transmission attenuation. Test results prove that when the instantaneous impact peak overload is less than 25 000g, double shell protective structure can effectively attenuate the impact energy, and that the rate of energy absorption can reach 50%, which can protect the security of the internal circuit.

technology of instrument and meter; double shell; anti-high shock; drop hammer test; energy absorption; reliability

2016-09-07

國家自然科學(xué)基金(61471385)

周優(yōu)良(1993—)，男，碩士研究生，主要從事動態(tài)測試與智能儀器技術(shù)研究。E-mail：2402100200@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.012

TJ410.6

A

1673-6524(2017)02-0054-05