一種高過載彈載記錄儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭智貞，楊富偉，鄭浩鑫，王靖宇，楊 燦

（1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030051；2.中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，西安 710000）

0 引言

彈載記錄儀是一種用于采集、儲存和回放速變參數(shù)、緩變參數(shù)、控制指令的儀器，其對于掌握導(dǎo)彈飛行過中的動態(tài)參數(shù)、控制指令及環(huán)境參數(shù)意義重大[1]。彈載記錄儀安放在彈體狹小的內(nèi)部，跟著導(dǎo)彈飛行，在高速狀態(tài)下的慣性作用力，主要靠緩沖材料、電路腔內(nèi)的灌封材料所吸納，在彈體著陸瞬間，要承受幾萬個重力加速度的沖擊[2,3]，在如此高的過載情況下，保證回收后的記錄儀存儲模塊完好無損，從中讀取有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是比較困難的，這就需要保護(hù)記錄儀的殼體具有很高的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)合理簡單且連接可靠，以提高彈載記錄儀的抗沖擊能力。

因此，設(shè)計(jì)了一種性能可靠穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單合理，能抗高過載的彈載記錄儀。本文設(shè)計(jì)了雙層殼體兩層緩沖隔離的電路防護(hù)結(jié)構(gòu)，獨(dú)立存放記錄模塊和備份模塊，選用高強(qiáng)度鋁材為記錄儀外殼體實(shí)現(xiàn)一級防護(hù)，選用高強(qiáng)度鋼材為內(nèi)殼體，并在殼體中灌封電路模塊實(shí)現(xiàn)二級防護(hù)，通過記錄儀單機(jī)測試及系統(tǒng)聯(lián)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，記錄儀內(nèi)部存儲模塊均能夠完整記錄數(shù)據(jù)，達(dá)到了抗高載的預(yù)定目標(biāo)。

1 記錄儀設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的彈載記錄儀的主要功能是：實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈工作時，對其相關(guān)模擬量、數(shù)字量及視頻信號進(jìn)行可靠采集和存儲工作；導(dǎo)彈完成工作后，能夠?qū)τ涗浀臄?shù)據(jù)進(jìn)行卸載、查看和分析。

彈載記錄儀就是將儲存芯片及電路系統(tǒng)放置在硬回收殼體內(nèi)。記錄儀隨彈飛行至彈體分離高速墜落撞地，撞地瞬間產(chǎn)生的過載高達(dá)20000g左右[4]。本次設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)就是如何確保彈載記錄儀回收后的存儲電路板完好無損。因此，記錄儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否十分關(guān)鍵，成為保證準(zhǔn)確獲取導(dǎo)彈飛行測試數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。

彈載記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案：首先，為減小PCB板的受力面積和尺寸，將PCB設(shè)計(jì)為信號板、電源板、存儲板×2、視頻板五塊PCB板，以提高產(chǎn)品的抗過載能力。其次，用鍍銀絲把信號板、電源板、視頻板這三塊PCB板穿連起來，安裝固定在一個殼體里并灌封發(fā)泡；將與信號板和視頻板對應(yīng)的兩塊存儲板放置在另一個殼體里并灌封環(huán)氧樹脂；信號板和視頻板分別與其對應(yīng)的存儲板之間用航插連接，完成數(shù)據(jù)的傳輸，并側(cè)壁上留有航插口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的卸載。最后，為提高連接的可靠性且保證飛行中不拉斷散線，將兩個內(nèi)殼體都固定在一個大的外殼體上，并用毛氈作為緩沖材料吸收沖擊波的能量，以保護(hù)記錄儀內(nèi)部殼體結(jié)構(gòu)。

2 彈載記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1為彈載記錄儀裝配圖。根據(jù)信號板、電源板和視頻板的尺寸來設(shè)計(jì)記錄儀封裝主體4，在底部設(shè)計(jì)兩個航插口。封裝主體4主要用于存放數(shù)據(jù)采集、控制存儲的電路板，與記錄儀頂蓋6連接在一起，為了穿過航插頭，將頂蓋設(shè)計(jì)為兩個拼接在一起的半圓，中間的兩個孔位用于引出航插頭，與用戶設(shè)備裝連，同時在頂蓋的兩側(cè)分別加工一個大小為M6的螺紋孔，作為灌封口，內(nèi)部灌封材料選擇發(fā)泡。記錄儀備份艙主體2，用于安裝放置FLASH電路板，獨(dú)立保護(hù)存儲器FLASH模塊，內(nèi)部灌封材料選擇環(huán)氧樹脂，在其底部開口為方便從存儲器上獲取并分析彈體飛行數(shù)據(jù)。記錄儀艙體5，側(cè)壁上開有讀數(shù)口用于安裝航插14，便于從艙體側(cè)面讀取數(shù)據(jù)，內(nèi)部用來存放和保護(hù)記錄儀封裝主體4和備份艙主體2。

圖1 彈載記錄儀裝配圖

本設(shè)計(jì)中，封裝主體4與頂蓋6組成的記錄儀封裝體和備份艙主體2與備份艙蓋3組成的記錄儀備份艙都是獨(dú)立體，可以分別安裝固定好各自的電路板后進(jìn)行灌封。第一步，先把記錄儀封裝體上的航插14安裝固定在記錄儀艙體5的側(cè)壁上，然后把封裝體固定在記錄儀艙體5的右端；第二步，連接好記錄儀備份艙與記錄儀封裝體的航插后，將備份艙固定在記錄儀艙體5的左端；第三步，把毛氈包裹好備份艙后，用記錄儀后蓋1壓實(shí)固定在艙體5上，完成記錄儀的裝配工作。在螺釘連接處涂上適量的螺紋膠，可以提高連接的強(qiáng)度，使記錄儀具有更高的穩(wěn)定性。此彈載記錄儀具有裝配簡單、連接可靠且拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)。

3 彈載記錄儀的仿真

3.1 模型仿真材料及參數(shù)

圖2 彈載記錄儀實(shí)體模型

整個裝配體結(jié)構(gòu)采用聲阻抗差別較大的多層材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)[5]，記錄儀艙體5材料選擇鋁；內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇35CrMnSiA，特點(diǎn)是強(qiáng)度高，熱處理后能承受更高的沖擊動量，有效地保護(hù)記錄儀的存儲電路部分。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到內(nèi)外防護(hù)殼材料參數(shù)如表1所示[6～8]。殼體內(nèi)灌封材料選擇環(huán)氧樹脂，模型選擇使用PLASTICKINE-MATIC，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 內(nèi)外防護(hù)殼材料參數(shù)

表2 灌封材料參數(shù)

3.2 Ansys有限元模型建立

運(yùn)用UG 10.0建立彈載記錄儀的實(shí)體模型，并把模型保存為x_t格式導(dǎo)入Ansys中；然后設(shè)置零件的材料參數(shù)、施加約束和定義載荷類型；最后對記錄儀進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分操作，完成有限元模型的建立。

3.3 仿真結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[5]指出記錄儀在垂直下落時受到的過載最大，分析其等效應(yīng)力云圖。由圖3所示的應(yīng)力云圖可知，記錄儀艙體因超過鋁的屈服應(yīng)力而發(fā)生損壞，緩沖掉大部分沖擊能量。由圖可見，記錄儀后蓋達(dá)到屈服應(yīng)力，發(fā)生較大的變形，而記錄儀內(nèi)殼體沒有形變，電路模塊得到有效保護(hù)。

圖3 記錄儀內(nèi)殼和外殼應(yīng)力云圖

4 記錄儀的測試

記錄儀的測試項(xiàng)目主要包括質(zhì)量檢測，高、低溫和溫循試驗(yàn)，振動和沖擊試驗(yàn)等。

如圖4(a)為記錄儀質(zhì)量檢測，將記錄儀放置稱重臺上得到整體質(zhì)量為1.8666kg，滿足質(zhì)量要求；圖4(b)為記錄儀在高溫下的檢測，將記錄儀放在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測試；圖4(c)為記錄儀振動試驗(yàn)，將記錄儀安裝在專用的夾具上進(jìn)行振動試驗(yàn)，主要完成X，Y，Z三軸向的振動，每軸振動時間5min，振動過程中通電工作；圖4(d)為記錄儀沖擊試驗(yàn)，將記錄儀固定在落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺上，主要完成六軸向的沖擊，每軸向沖擊一次，加速度峰值為150g，沖擊波形為近似半正弦波。在試驗(yàn)前、中、后分別讀取記錄儀測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)均正常。

5 結(jié)論

對彈載記錄儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過單機(jī)測試和聯(lián)機(jī)測試，得出如下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單且可靠的高過載彈載記錄儀，存儲版和電路板放置在不同的殼體結(jié)構(gòu)里，結(jié)構(gòu)緊湊且易于安裝和拆卸；

圖4 彈載記錄儀的測試

2）采用雙備份存儲方案提高了系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)在記錄儀艙體側(cè)壁上航插口方便了數(shù)據(jù)的讀取；

3）對設(shè)計(jì)的記錄儀進(jìn)行高低溫、振動和沖擊測試結(jié)果證明：測試系統(tǒng)工作正常，記錄儀殼體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性較高，滿足試驗(yàn)要求，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。