小口徑火炮彈底壓力測試系統(tǒng)抗高過載研究

王宇，裴東興，張瑜，沈大偉，趙小龍

（中北大學(xué)省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

彈底壓力是內(nèi)彈道的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響火炮的發(fā)射性能［1］。在小口徑火炮彈底壓力的測試中，測試系統(tǒng)隨彈丸高速發(fā)射，并且撞擊目標(biāo)，測試儀器會承受很大的沖擊載荷［2-4］。測試儀器常采用電路灌封和加緩沖墊的方法抗高沖擊載荷，而小口徑火炮膛內(nèi)狹小的測試空間限制了灌封材料的體積和緩沖墊的厚度，給測試儀器的抗高過載防護(hù)設(shè)計帶來了困難，因此研究如何提高小口徑火炮彈底壓力測試系統(tǒng)的抗高過載能力具有重要意義。

弾載測試系統(tǒng)高沖擊測試是支撐軍工產(chǎn)品、核心器件研制、可靠性驗證和評估評價的重要手段［5］。因此，國內(nèi)外已有不少研究人員對彈載測試系統(tǒng)的抗高過載性能進(jìn)行研究。Verberne P 等人［6］研究了精確制導(dǎo)彈丸在沖擊載荷下嵌入式集成電路芯片和印刷電路板（PCB）的生存能力，研究結(jié)果表明新設(shè)計的封裝技術(shù)可以有效地保護(hù)微電子器件，提高其抗過載能力。Peng Tianfang 等人［7］在一篇專門針對沖擊環(huán)境下MEMS 的可靠性研究的綜述文章中回顧了從2000年到2020年在沖擊環(huán)境下MEMS的可靠性，填補(bǔ)了MEMS在沖擊環(huán)境下可靠性研究的空白。Choi Y T 和Yoon S W 等人［8-9］采用沖擊塞或磁流變沖擊隔離技術(shù)，通過吸收沖擊能量來降低沖擊載荷。于亞飛等人［10］針對小口徑武器發(fā)射時彈載元器件在高沖擊下容易發(fā)生損壞失效的問題，對彈載模塊電路應(yīng)力進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為后續(xù)彈丸彈載模塊的設(shè)計提供參考。王海霞［11］對彈載記錄儀在不同載荷形式以及有灌封氣泡情況下的抗沖擊特性展開了研究，為提高記錄儀的抗沖擊可靠性提供了參考。趙玉杰［12］研究了高g值沖擊下灌封電路系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和失效機(jī)理，驗證了灌封層對沖擊振動的隔離與衰減效果。丁永紅等人［13］研究了高沖擊載荷下彈載記錄儀應(yīng)力分布，為彈載記錄儀可靠性研究提供了理論支撐。程祥利等人［14］研究了高沖擊載荷作用下彈載記錄儀防護(hù)系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)特性，有效地指導(dǎo)了彈載記錄儀的防護(hù)設(shè)計。曹娟等人［15］研究了彈丸侵徹硬目標(biāo)過程中沖擊載荷與引信介質(zhì)間的耦合動力特性，揭示了引信受沖擊載荷變化規(guī)律，得出調(diào)整墊片厚度與結(jié)構(gòu)化墊片相結(jié)合的引信防護(hù)優(yōu)化設(shè)計方案能有效衰減沖擊載荷。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合彈底壓力測試系統(tǒng)開展其抗高過載研究。建立了芯片失效和測試儀器隔離緩沖機(jī)理模型，研究了芯片不同安裝方向的抗高沖擊性能，以及不同緩沖材料的隔離緩沖能力，提出了環(huán)氧樹脂真空灌封方法。研究結(jié)果對提高小口徑火炮彈底壓力測試系統(tǒng)的存活性和可靠性有重要指導(dǎo)意義。

1 機(jī)理分析

1.1 芯片失效機(jī)理

當(dāng)芯片焊接位置與加速度方向垂直時，可以建立如圖1所示的力學(xué)模型1［16］。在高沖擊下，芯片失效一般出現(xiàn)在最大彎矩和剪力的位置。設(shè)芯片長為l0，寬為b0，厚為h0，則芯片受到的分布載荷q'為

式中：ρx為芯片材料的密度；A0為芯片橫截面積；a0為加速度載荷。

芯片受到的最大剪力Qmax和最大彎矩Mmax分別為

故，芯片受到的最大正應(yīng)力為

當(dāng)芯片擺放位置與加速度方向平行時，可以建立如圖1 所示的力學(xué)模型2。芯片結(jié)構(gòu)為靜不定結(jié)構(gòu)，兩邊固定端的形變量幾乎為0，解變形協(xié)調(diào)方程為

圖1 力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model

其端部支反力為

故，芯片受到的最大正應(yīng)力為

將式（7）與式（4）相除，可以得到

1.2 壓力測試系統(tǒng)隔離緩沖機(jī)理

為了更好地提高彈底壓力測試系統(tǒng)的抗高載荷能力，需要采用被動隔離緩沖技術(shù)。沖擊隔離技術(shù)的原理是利用彈、塑性元件和阻尼元件儲存或耗散沖擊能量，來降低傳遞到內(nèi)部電路模塊中的加速度，進(jìn)而使電路中的元器件、結(jié)構(gòu)中的動應(yīng)力遠(yuǎn)低于其失效極限值和材料的強(qiáng)度極限［16］。所以，在電路模塊與電路筒之間，以及電路筒與彈體之間加緩沖墊可以起到隔離緩沖的作用。

隔離緩沖作用機(jī)理的力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 基礎(chǔ)激勵緩沖器的力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of base excitation buffer

基礎(chǔ)激勵時的數(shù)學(xué)模型為［17］

在此數(shù)學(xué)模型中，質(zhì)量塊m'與基礎(chǔ)之間采用具有平方阻尼（阻尼系數(shù)為c1）、粘性阻尼（阻尼系數(shù)為c2）、庫倫阻尼（阻尼系數(shù)為cf）、線性剛度（系數(shù)為k1）和立方剛度（系數(shù)為k3）耦合的物理器件相連接，質(zhì)量塊和基礎(chǔ)之間的動力傳遞通過這幾個阻尼的相互耦合來衰減從而達(dá)到緩沖目的。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，物理模型可以采用彈簧、橡膠、流體阻尼、庫倫阻尼以及粘彈性阻尼的耦合來實現(xiàn)抗沖擊。

2 實驗研究

2.1 芯片沖擊實驗研究

電路中的晶振是由石英晶體振蕩產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號，容易受高沖擊的影響，實驗采用彈底壓力測試系統(tǒng)EXO3 型號的晶振在Hopkinson 桿上進(jìn)行沖擊實驗。將晶振焊接在電路板上，然后灌封在鋼制殼體內(nèi)，分別將殼體按照晶振與沖擊方向垂直和平行方向分別固定在Hopkinson 桿的端部，采用由低向高的沖擊載荷，每沖擊一次用示波器記錄晶振的輸出信號。部分實驗結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)可知：與沖擊方向垂直放置，加速度為216000g時，晶振已經(jīng)工作不正常；與沖擊方向平行放置，加速度為361000g時，晶振工作不正常?？梢缘贸鼋Y(jié)論：與沖擊方向平行放置的芯片抗沖擊性能要比垂直放置的芯片高，但由于樣本較少，無法精確得出晶振失效的加速度值。

表1 晶振沖擊實驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 Statistics of crystal oscillator shock experiment results

2.2 隔離緩沖材料實驗研究

分別將珍珠棉（EPE）、PE 棉、橡膠墊、羊毛氈四種緩沖材料在沖擊臺上做隔離緩沖實驗，實驗實物如圖3所示，將四種厚度相同的緩沖物質(zhì)分別放在沖擊臺上，每次固定沖擊錘相同高度去沖擊緩沖墊，在沖擊臺上安裝好標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器用來測試加速度信號，得到不同緩沖墊下加速度信號曲線如圖4所示，實驗結(jié)果如表2所示。

圖4 不同緩沖墊下加速度信號曲線Fig.4 Acceleration signal curves under different cushion

表2 加速度測試實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of acceleration test

圖3 隔離緩沖實驗實物圖Fig.3 Picture of isolation buffering experiment

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)的對比可知，材料按最大緩沖加速度幅值從小到大排列為：橡膠墊、PE 棉、珍珠棉（EPE）和羊毛墊；按振蕩幅度從小到大排列為：橡膠墊、PE 棉、羊毛墊和珍珠棉（EPE）。因為橡膠易成型、阻尼大，能同時承受多方向載荷，并且變形為非線性，不易壓死，所以橡膠墊加速度最大緩沖幅值以及過濾振蕩信號是這幾種緩沖材料中最優(yōu)的，PE 棉和珍珠棉（EPE）材料屬性非常接近，所以緩沖效果也是非常接近的。經(jīng)過分析，得出橡膠墊作為測試儀器的隔離緩沖物質(zhì)是非常不錯的選擇。

2.3 環(huán)氧樹脂真空灌封

將一套加速度測試儀的電路用環(huán)氧樹脂灌封在機(jī)械殼體中，另一套加速度測試儀的電路直接放在機(jī)械殼體中，分別固定在沖擊臺上同樣高度進(jìn)行沖擊實驗，逐漸增大沖擊錘的高度，當(dāng)加速度大約為50000g時，用環(huán)氧樹脂灌封的加速度測試儀仍然工作正常，加速度曲線如圖5所示，而沒有灌封的電路則沒有采集到數(shù)據(jù)。將沒有灌封的電路取出，發(fā)現(xiàn)測試電路中有一根與電路板連接導(dǎo)線的焊點脫落，最終導(dǎo)致測試失敗。因此，可以得出結(jié)論：環(huán)氧樹脂真空灌封后的電路比不灌封的電路能承受更高的沖擊載荷。

圖5 加速度測試曲線Fig.5 Acceleration test curve

3 實彈測試

將彈底壓力測試系統(tǒng)安裝到30 mm口徑火炮的彈丸內(nèi)部進(jìn)行實彈試驗，彈底壓力測試系統(tǒng)安裝示意圖如圖6所示。測試系統(tǒng)采用可拆卸設(shè)計，彈丸底部設(shè)計了專用空間放置彈底壓力測試系統(tǒng)，拆裝處使用了密封銅環(huán)，保證發(fā)射過程中火藥氣體不會沖毀測試電路與傳感器。使用時先將內(nèi)部電路取出，進(jìn)行上電與編程操作，電路狀態(tài)正常后，在電路頂部放置橡膠墊與青稞紙，與電路一同放入彈丸內(nèi)部并用管鉗旋緊。在進(jìn)行試驗時，彈底壓力測試系統(tǒng)隨彈一起飛出。彈底壓力測試曲線如圖7所示。

圖6 彈底壓力測試系統(tǒng)安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of projectile bottom pressure test system

由圖7可以看出，實測曲線與仿真曲線基本吻合，驗證了彈底壓力測試系統(tǒng)的存活性和可靠性。

圖7 彈底壓力測試曲線Fig.7 Test curve of projectile bottom pressure

4 結(jié)論

針對小口徑火炮的高過載環(huán)境和狹小的測試空間可能導(dǎo)致彈底壓力測試系統(tǒng)芯片失效，導(dǎo)線以及焊點脫落和斷裂的問題，開展彈底壓力測試系統(tǒng)抗高過載研究，得出的結(jié)論為：芯片安裝位置與沖擊方向平行時的抗過載能力比垂直時的抗過載能力更強(qiáng)，隔離緩沖材料選用橡膠墊的效果比選用羊毛墊、珍珠棉（EPE）和PE 棉好。通過環(huán)氧樹脂真空灌封方法有效解決了測試儀器在高過載環(huán)境下導(dǎo)線以及焊點脫落和斷裂的問題。最后通過實彈測試驗證了彈底壓力測試系統(tǒng)抗高過載研究的重要性。該研究有效地提高了小口徑火炮彈底壓力測試系統(tǒng)在高過載環(huán)境下的存活性和可靠性，為高載荷小空間下的彈底壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計提供了支撐。