胡起偉，王廣彥，石全，田霞

(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理工程系，河北省 石家莊050005)

0 引言

沖擊振動(dòng)是定義不太嚴(yán)格的一種振動(dòng)，它是振動(dòng)環(huán)境中的一種特例，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為:激勵(lì)(加速度)峰值大，但作用時(shí)間很短，主脈沖持續(xù)時(shí)間只有幾至幾十ms.據(jù)有關(guān)資料顯示，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子產(chǎn)品失效率的50%～60%是由于機(jī)械振動(dòng)與爆炸沖擊振動(dòng)而引起的［1］。而據(jù)某戰(zhàn)損試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，相較于彈丸爆炸所產(chǎn)生的破片損傷效應(yīng)而言，沖擊振動(dòng)對(duì)電子裝備造成的損傷更大。因此，研究電子裝備的沖擊振動(dòng)損傷問題顯得尤為迫切和關(guān)鍵，已成為深入開展電子裝備戰(zhàn)損規(guī)律研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

本文在對(duì)電子裝備沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，研究了電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真建模的基本原理與方法，通過實(shí)例分析得出了初步結(jié)論。

1 電子裝備沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)分析

1.1 損傷機(jī)理

在沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)的作用下，電子裝備發(fā)生損傷的因素主要概括為如下4 個(gè)方面:

1)沖擊振動(dòng)加速度峰值

雖然沖擊振動(dòng)作用時(shí)間很短，加速度峰值作用時(shí)間只有幾至幾十ms，但是，它卻是造成器件破壞的主要原因。當(dāng)加速度峰值作用于器件時(shí)，器件會(huì)克服自身重力及器件與裝備的耦合作用力向上運(yùn)動(dòng)，如果加速度峰值超過器件自身重力與裝備的耦合作用力之和，器件就會(huì)彈出或在耦合處發(fā)生斷裂，造成裝備發(fā)生損傷。

2)沖擊振動(dòng)頻率

器件在某種振動(dòng)頻率的作用下，雖然加速度峰值不是很大，但是當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到器件本身的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，其振幅越來越大，最后，因振動(dòng)幅值超過器件極限值而使其遭到破壞。

3)沖擊振動(dòng)次數(shù)

雖然在一定的沖擊振動(dòng)加速度峰值作用下，不足以導(dǎo)致器件損傷。但是，如果這種沖擊振動(dòng)加速度持續(xù)作用于器件，或連續(xù)受到多次沖擊作用，在這種情況下有可能導(dǎo)致器件發(fā)生疲勞損傷。

4)電子裝備固有屬性

器件在振動(dòng)環(huán)境中的損傷不僅與振動(dòng)本身特性有關(guān)，而且也與器件本身動(dòng)力特性有著密切關(guān)系。這些動(dòng)力特性主要包括器件的質(zhì)量、與裝備的耦合關(guān)系(阻尼及彈性系數(shù))、固有頻率等等。如果在裝備的設(shè)計(jì)中充分考慮到這些動(dòng)力特性，就可以使其承受一定的沖擊振動(dòng)負(fù)荷，從而提高電子裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

1.2 典型損傷模式

電子裝備一般是由組合體、電路板和電子元器件等電子器件組成，由于它們的結(jié)合方式大多是緊固式、接插式和點(diǎn)焊式，這使得振動(dòng)對(duì)電子器件的主要影響有結(jié)構(gòu)破壞、工作性能破壞和工藝性能破壞［2］。所表現(xiàn)出來的常見損傷模式包括:組合體的分離，卡體震裂、裂縫，元器件卡住，變形(如組合體外殼彎曲)，結(jié)構(gòu)件裂紋或脫落，短路(元器件的相互碰撞造成)，緊固件的松動(dòng)，電觸點(diǎn)的錯(cuò)亂(應(yīng)斷開的接通，應(yīng)接通的斷開)，電觸點(diǎn)松動(dòng)或斷開，電噪聲加大等等。

2 電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真建模

電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真中需要建立的模型主要包括裝備描述模型、沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)模型、裝備沖擊振動(dòng)損傷響應(yīng)模型和損傷仿真過程模型。圖加速度峰值、頻率、振動(dòng)次數(shù)等參數(shù)，通過沖擊振動(dòng)損傷響應(yīng)模型確定部件發(fā)生的損傷模式。進(jìn)而多次進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)，得到電子裝備組成部件發(fā)生的損傷模式及其發(fā)生概率。最后，統(tǒng)計(jì)輸出部件損傷數(shù)據(jù)。1 描述了電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真基本原理和各類模型之間的關(guān)系。其基本原理是:首先，建立裝備的結(jié)構(gòu)簡化描述模型和沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)模型，然后確定威脅(彈丸)和裝備之間的距離，通過仿真過程模型驅(qū)動(dòng)，獲得沖擊振動(dòng)傳到各部件的沖擊振動(dòng)

圖1 電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真原理圖Fig.1 Illustrative diagram of electronic equipment damage simulation in explosion impact vibration environment

對(duì)于裝備描述與建模的相關(guān)原理與方法，文獻(xiàn)［3－4］當(dāng)中都有著詳細(xì)的介紹。但是，這種建模方法是在破片損傷效應(yīng)作用下裝備損傷仿真的建模方法。為了真實(shí)描述零部件的形狀、尺寸、空間位置、材料的機(jī)械和物理化學(xué)性等信息，將零部件劃分為若干基本元素，再將基本元素劃分為若干基本幾何元素。這種建模方法對(duì)于破片損傷仿真是非常必要的，便于根據(jù)具體基本幾何元素的材料、物理化學(xué)特性等對(duì)其發(fā)生的損傷模式進(jìn)行仿真。但是，在沖擊振動(dòng)損傷仿真當(dāng)中需要把零部件的各組成部分作為一個(gè)整體來考慮，才能得到零部件的沖擊振動(dòng)損傷模式，而現(xiàn)有破片損傷模擬中的裝備建模方法把零部件劃分的層次太細(xì)，如何將其“合成”為零部件是沖擊振動(dòng)損傷仿真中要解決的重要問題之一。除此之外，破片損傷模擬中的裝備建模方法建立的零部件模型，還沒有提供零部件特別是電子器件與裝備的連接關(guān)系，以及零部件的質(zhì)量、損傷閾值等特性數(shù)據(jù)。因此，為了考慮在破片、沖擊振動(dòng)的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)電子裝備損傷仿真，在現(xiàn)有破片損傷仿真中已建立的裝備模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將各類基本元素、基本集合元素進(jìn)行整合，形成零部件信息，主要步驟如下:

1)確定產(chǎn)品的層次。在破片損傷仿真裝備建模中，裝備模型共考慮了4 個(gè)層次，即“裝備→基本項(xiàng)目→基本元素→基本幾何元素”。圖2是電子裝備模型的分層結(jié)構(gòu)，該裝備由A、B、C 等基本項(xiàng)目組

2.1 面向沖擊振動(dòng)損傷仿真的裝備描述建模

成，每個(gè)基本項(xiàng)目又由許多不同材料、不同特性的基本元素組成，每個(gè)基本元素又由許多不同形狀的基本幾何元素所組成，從而建立起整個(gè)電子裝備的結(jié)構(gòu)簡化模型。

圖2 電子裝備模型的分層結(jié)構(gòu)示例Fig.2 Diagram of electronic equipment model

2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系圖表示。圖2所示的裝備模型分層結(jié)構(gòu)圖中并未給出節(jié)點(diǎn)信息和節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系信息，在此基礎(chǔ)上，需要給出基本元素，以及基本元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，圖3所示。節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系可以是任意的，圖3中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可能相關(guān)，基本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)信息可以用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖G 來表示。模型G(V，E)是一個(gè)無向圖，節(jié)點(diǎn)V =(v1，v2，…，vn)表示基本元素(基本幾何元素)，n 是基本元素(基本幾何元素)的數(shù)目;邊E = (e1，e2，…，em)表示關(guān)聯(lián)關(guān)系，m 是邊的數(shù)目。如果兩個(gè)基本元素(基本幾何元素)vi和vj(i≠j)，通過邊連接起來，表明基本元素(基本幾何元素)vi和vj之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，那么(vi，vj)∈E，屬于同一基本項(xiàng)目;否則(vi，vj)?E，不屬于同一基本項(xiàng)目。

圖3 基本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系示意圖Fig.3 Diagram of basic item structure

3)節(jié)點(diǎn)間連接關(guān)系。缺點(diǎn)節(jié)點(diǎn)間，即基本元素(基本幾何元素)間的連接關(guān)系、定位關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系等，如表1所示。

4)節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，其中，包括了固有頻率、損傷加速度閾值、損傷頻率信息等，部分信息如表2所示，詳見文獻(xiàn)［6］。

表2 節(jié)點(diǎn)主要信息Tab.2 Information of basic function item nodes

2.2 沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)模型

爆炸振動(dòng)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生4 種類型的波:縱向壓縮波(P 波)、縱向稀疏波(N 波)、剪切波(S 波)和Rayleigh 表面波(R 波)。壓縮波傳播最快，由于地表介質(zhì)拉伸和壓縮性質(zhì)不同，稀疏波傳播得較慢，橫波傳播得更慢一些，Rayleigh 表面波傳播得最慢。在地面表土層，離開爆炸中心近處，4 種波的作用都較為明顯，但在離開爆炸中心一定距離處，地面運(yùn)動(dòng)主要由Rayleigh 表面波控制［5］。此時(shí)，可以將Rayleigh 表面波的到達(dá)時(shí)刻作為地面運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻。

在爆炸作用場(chǎng)中給定點(diǎn)爆炸地面振動(dòng)加速度的幅值特性A(t)滿足指數(shù)形式衰減關(guān)系:

上式中:AP是由炸藥類型、裝藥量、距離爆炸點(diǎn)距離等參數(shù)相關(guān)的系數(shù);tR為Rayleigh 波到達(dá)時(shí)間;tR=r/CR，其中，r 為觀測(cè)點(diǎn)與爆炸中心間的水平距離，CR為Rayleigh 波波速;b1、b2為衰減系數(shù)。相關(guān)參數(shù)的確定和計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)［6］.

2.3 裝備沖擊振動(dòng)損傷響應(yīng)模型

在一定峰值、頻率、持續(xù)時(shí)間的沖擊振動(dòng)作用下，電子裝備的組成部件會(huì)發(fā)生什么樣的損傷模式，是沖擊振動(dòng)損傷仿真的核心問題。為此，可以通過數(shù)值仿真的方法獲取典型部件的損傷閾值，進(jìn)而繪制損傷相圖，例如:在假設(shè)某電子部件的質(zhì)量、材料特性、與裝備耦合作用關(guān)系，爆心與裝備距離等已知的情況下，通過數(shù)值仿真獲取的部件損傷模式與彈丸的裝藥量和彈體材料密度的關(guān)系曲線，即損傷相圖如圖4所示。

圖4 部件沖擊振動(dòng)損傷相圖示例Fig.4 Phase diagram of component damage

損傷相圖的繪制原理如下:通過對(duì)實(shí)彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出在爆炸沖擊振動(dòng)作用下典型部件(如接插件、緊固件)在沖擊振動(dòng)作用下的典型損傷模式，運(yùn)用ANSYS/LS－DYNA 軟件平臺(tái)建立部件的實(shí)體模型，以及與裝備的耦合作用關(guān)系，設(shè)置部件的彈性模量、泊松比、密度、摩擦系數(shù)(耦合強(qiáng)度)等參數(shù)，輸入一定載荷的沖擊振動(dòng)值，模擬計(jì)算得到一次結(jié)果，改變上述參數(shù)重新進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)獲取的模擬計(jì)算結(jié)果在坐標(biāo)系中畫出相應(yīng)曲線，從而得到該部件在設(shè)置條件下的損傷相圖。再改變?cè)O(shè)置條件，循環(huán)往復(fù)做數(shù)值計(jì)算，從而得到不同條件下的損傷相圖。

建立數(shù)據(jù)庫，將各設(shè)置條件與損傷相圖相關(guān)聯(lián)。這樣，如果獲取了充足的損傷相圖數(shù)據(jù)，就可以在損傷仿真當(dāng)中，根據(jù)損傷仿真的條件查找相應(yīng)的損傷相圖，確定在一定的沖擊振動(dòng)作用下部件的損傷模式。

2.4 損傷仿真過程模型

2.4.1 沖擊振動(dòng)損傷仿真主流程

單裝在多威脅作用下的沖擊振動(dòng)損傷仿真流程，如圖5所示。首先確定要仿真的電子裝備，并選擇彈丸的種類，根據(jù)該彈丸的裝藥量、彈殼材料等數(shù)據(jù)，模擬得到?jīng)_擊振動(dòng)加速度峰值及其在地面的衰減規(guī)律，確定沖擊振動(dòng)傳播到裝備位置點(diǎn)的損傷效應(yīng)，然后調(diào)用部件損傷程序，執(zhí)行部件損傷仿真，確定部件損傷情況。最后，對(duì)損傷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和輸出。

圖5 沖擊振動(dòng)損傷仿真主流程Fig.5 Main flowchart of damage simulation

2.4.2 部件損傷仿真程序

根據(jù)建立的電子裝備實(shí)體模型，對(duì)每一組成部件執(zhí)行沖擊振動(dòng)損傷仿真。一次部件損傷仿真流程如圖6所示。其基本過程為:首先，確定沖擊振動(dòng)傳播到部件的加速度峰值、頻率和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，然后分兩種情況判斷部件是否遭到損傷。一是在一定的沖擊加速度峰值作用下，由于部件結(jié)構(gòu)及其材料應(yīng)力等方面的因素，部件所承受的沖擊加速度是有一定限度的，如果超過這個(gè)限度，將會(huì)造成部件發(fā)生某種損傷模式，主要根據(jù)繪制的損傷相圖進(jìn)行判斷;二是在沖擊振動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間的作用下，部件會(huì)發(fā)生疲勞損傷，主要根據(jù)部件的疲勞損傷閾值進(jìn)行確定。

3 仿真分析

在沖擊振動(dòng)損傷仿真建模的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真系統(tǒng)，選取某型號(hào)雷達(dá)進(jìn)行實(shí)例分析如下。

3.1 裝備描述建模

1)裝備基本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹的建立

圖6 部件損傷仿真流程圖Fig.6 Flowchart of component damage simulation

針對(duì)選取的裝備，首先對(duì)裝備的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，繪制該裝備的基本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹，如圖7所示，為進(jìn)一步分析裝備的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系奠定基礎(chǔ)?；卷?xiàng)目包括基本功能項(xiàng)目和基本結(jié)構(gòu)項(xiàng)目［3］。建立裝備基本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹是為了進(jìn)行裝備損傷仿真而對(duì)裝備結(jié)構(gòu)做必要的簡化處理，使獲取的裝備損傷仿真數(shù)據(jù)為那些影響裝備完成任務(wù)的損傷事件。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)各基本幾何元素的形狀參數(shù)層信息，建立的該雷達(dá)的結(jié)構(gòu)簡化模型如圖8所示。

圖7 某雷達(dá)基本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹Fig.7 Radar basic item tree

2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的建立

如3.1 所述，將裝備組成結(jié)構(gòu)按照“裝備→基本項(xiàng)目→基本元素→基本幾何元素”的層次進(jìn)行建模，是為了破片損傷仿真的需要，而在沖擊振動(dòng)損傷仿真當(dāng)中需要把零部件的各組成部分作為一個(gè)整體來考慮，需要建立起各組成部分與裝備的耦合作用關(guān)系。為此，為了實(shí)現(xiàn)裝備在破片和沖擊振動(dòng)共同作用下的裝備損傷仿真，需要在建立裝備基本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上，建立裝備各組成部分之間的耦合作用關(guān)系。以圖7中“C 電源系統(tǒng)”為例，建立的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系如圖9所示，其中，G(C，E)表示的是電源系統(tǒng)與其基本元素“C111 組合”和“C212組合”的關(guān)系;C 表示電源系統(tǒng)，C1表示11 組合，C2表示12 組合;節(jié)點(diǎn)E1表示C1與C 的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)E1，2表示C1和C2的關(guān)系。其他符號(hào)大致相同，從而就可以建立起產(chǎn)品各組成部分間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖8 某型雷達(dá)實(shí)體結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Radar structure model

圖9 電源系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系示意圖Fig.9 Diagram of power supply system structure

3)節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次關(guān)系圖基礎(chǔ)上，輸入各節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系、質(zhì)量、損傷加速度閾值等信息，如表2所示，如E1連接關(guān)系為接插件、質(zhì)量為30 kg、損傷加速度閾值為45 g 等。

3.2 沖擊振動(dòng)殺傷效應(yīng)參數(shù)初始化

選取某型航彈作為該型號(hào)雷達(dá)的殺傷源，根據(jù)沖擊振動(dòng)殺傷效應(yīng)模型所需數(shù)據(jù)，錄入其相關(guān)參數(shù)，仿真次數(shù)設(shè)置為50 次。

3.3 沖擊振動(dòng)損傷響應(yīng)模型的建立

沖擊振動(dòng)損傷響應(yīng)模型主要是將獲取的零部件損傷閾值信息以二維表的形式存放于數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

3.4 仿真結(jié)果分析

在上述建模與準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行損傷仿真，獲取的該型號(hào)雷達(dá)的損傷仿真結(jié)果如圖11 所示。

通過對(duì)某雷達(dá)執(zhí)行損傷仿真，得出如下結(jié)論:

1)沖擊振動(dòng)是電子裝備的主要損傷效應(yīng)之一

圖10 沖擊振動(dòng)損傷閾值信息數(shù)據(jù)庫表Fig.10 Database of vibration damage threshold value info

圖11 仿真結(jié)果輸出Fig.11 Export of the simulation result

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，輪胎、方艙面等結(jié)構(gòu)部件是由于破片造成的。與之相比，雷達(dá)裝備的解算儀主體(26 組合)、輸出功放組合(27 組合)、解算儀控制臺(tái)(25 組合)、解算儀指揮箱(28 組合)等主要功能電子部件是由于沖擊振動(dòng)而造成的。與某裝備戰(zhàn)損試驗(yàn)得到的分析結(jié)論是基本一致的。因此，如何防范和降低沖擊振動(dòng)對(duì)電子裝備造成的損傷是電子裝備生存性研究的重要內(nèi)容。

2)裝備建模的層次決定了沖擊振動(dòng)損傷仿真結(jié)果的合理性和有效性

由于目前仿真當(dāng)中對(duì)某雷達(dá)裝備的建模層次相對(duì)比較高，最低建模層次是部組件層次，目前的仿真結(jié)果得到的僅是具體組合是否遭到了損傷，這種粒度的仿真數(shù)據(jù)對(duì)于戰(zhàn)時(shí)裝備保障準(zhǔn)備具有重要的參考價(jià)值。如果將仿真系統(tǒng)應(yīng)用于裝備在爆炸沖擊振動(dòng)環(huán)境中的生存性設(shè)計(jì)和易損性評(píng)估，最好仿真到零部件、元器件的粒度，這就需要將裝備模型分解到具體的零部件、元器件層次。因此，裝備建模是獲取合理、有效的戰(zhàn)損數(shù)據(jù)的前提和基礎(chǔ)，必須針對(duì)仿真需求進(jìn)行裝備模型描述與建模。

3)損傷仿真模型有待進(jìn)一步完善

一是在多威脅效應(yīng)的作用下，地面振動(dòng)波有沒有疊加效應(yīng)，還有待于開展進(jìn)一步的研究;二是沖擊振動(dòng)損傷仿真得到的數(shù)據(jù)只是判斷部件是否發(fā)生了沖擊振動(dòng)損傷，還沒有得到具體的沖擊振動(dòng)損傷模式、嚴(yán)酷度等微觀損傷仿真結(jié)果，這種情況主要是由于實(shí)際的裝備沖擊振動(dòng)損傷數(shù)據(jù)太少，難于根據(jù)有限的戰(zhàn)損數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際分析;三是裝備沖擊振動(dòng)損傷的可視化效果。

4 結(jié)束語

電子裝備沖擊振動(dòng)損傷研究是戰(zhàn)損規(guī)律研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，對(duì)于電子裝備生存性和搶修性設(shè)計(jì)，乃至戰(zhàn)時(shí)裝備保障都具有重要的意義和作用。本文從電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真要解決的實(shí)際問題入手，研究了電子裝備沖擊振動(dòng)損傷效應(yīng)、損傷建模與仿真方法。通過運(yùn)用初步開發(fā)的仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析，得到了沖擊振動(dòng)損傷仿真的初步結(jié)論，明確了下一步需要深入研究的問題，為深入開展電子裝備沖擊振動(dòng)損傷仿真研究奠定了基礎(chǔ)。

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