劉建偉，裴東興* ，尤文斌，武耀艷

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

隨著航天科技的發(fā)展及未來戰(zhàn)爭精確打擊的需求，需要對導(dǎo)彈飛行過程中的自身動態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行更精確更細(xì)致的測試、存儲及分析。根據(jù)實(shí)際測試需要，某型導(dǎo)彈需將存儲記錄儀安裝固定于彈體，隨導(dǎo)彈飛行至彈體分離墜落，硬著陸回收的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)測試存儲，要求回收后的存儲記錄儀內(nèi)部數(shù)據(jù)完整正確保存，并能進(jìn)行讀取、分析[1]。為此，本文設(shè)計(jì)了回收式固態(tài)存儲器，專門測試存儲導(dǎo)彈發(fā)射過程中各動態(tài)參量[2]。

傳統(tǒng)的存儲記錄儀一般都很容易實(shí)現(xiàn)靜態(tài)存儲的要求，但在沖擊狀態(tài)下存儲器能否完整保存測試的數(shù)據(jù)[3－4]，這是本文要解決的關(guān)鍵問題。為此，采用熱處理后的高強(qiáng)度35CrMnSiA做機(jī)械殼體，內(nèi)部采用具有黏結(jié)保護(hù)作用的環(huán)氧樹脂灌封，有效地提高了存儲記錄儀的抗高沖擊、耐濕熱環(huán)境的能力。

1 記錄儀電路模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

記錄儀直接接收彈上系統(tǒng)提供的模擬參量，通過核心控制芯片的控制，經(jīng)A/D變化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并分別按順序存入記錄儀，存儲記錄儀構(gòu)成獨(dú)立的分系統(tǒng)，對彈上系統(tǒng)無干擾。記錄儀的原理框圖如圖1所示，由信號調(diào)理電路、模擬開關(guān)、A/D變換器、CPLD和單片機(jī)組成的控制單元、FIFO+Flash存儲單元等組成。中央控制模塊通過判斷FIFO和Flash的工作狀態(tài)來適時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲工作[5]。

圖1 記錄儀原理結(jié)構(gòu)框圖

2 機(jī)械殼體設(shè)計(jì)及ANSYS仿真

固態(tài)存儲記錄儀需隨導(dǎo)彈飛行至彈體分離墜落，并硬著陸回收，所以殼體的抗沖擊能力對記錄儀的存儲性能有著至關(guān)重要的影響。

2.1 機(jī)械殼體模型

本設(shè)計(jì)中通過對幾種優(yōu)質(zhì)鋼材的性能參數(shù)的詳細(xì)對比，選用了35CrMnSiA作為殼體材料，若要實(shí)現(xiàn)抗高過載的沖擊，必須還要對殼體進(jìn)行特殊的熱處理使其具有適當(dāng)?shù)挠捕?。若硬度過低，殼體易變形，不能有效地保護(hù)記錄儀電路;硬度過高，殼體結(jié)構(gòu)就會變脆，在硬著陸時(shí)易斷裂、破碎。本文通過熱處理工藝解決此問題，其工藝流程是:首先在950℃進(jìn)行第一次淬火，然后在880℃進(jìn)行第二次淬火，之后用油冷卻，淬火完成后進(jìn)行230℃回火處理，最后經(jīng)油冷或空冷完成熱處理。熱處理后殼體的硬度可達(dá)到50HRC，殼體既具有較高的硬度又保證了一定的韌性[6]。

機(jī)械殼體設(shè)計(jì)為90 mm×80 mm×40 mm的矩形結(jié)構(gòu)，壁厚5 mm，如圖2所示。殼蓋與殼體通過四個(gè)大螺紋螺釘連接，以增強(qiáng)其連接牢固性。前面板留有兩個(gè)矩形接插件固定孔和一個(gè)過線孔。

圖2 記錄儀機(jī)械殼體圖

2.2 機(jī)械殼體的抗沖擊仿真分析

為分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械殼體的抗沖擊能力，采用ANSYS有限元軟件建立了殼體的結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示[7]。殼體以60 m/s的速度撞擊剛性板，得到殼體的無緩沖的加速度曲線如圖4所示，沖擊加速度峰值達(dá)到280 000 gn，脈寬長度為 2.3 μs。為降低其沖擊加速度，在鋼殼外再加一層緩沖材料，相同條件下仿真得到具有膠皮緩沖的鋼殼體加速度曲線，如圖5所示。由圖中可以看出，沖擊加速度峰值降為 16 000 gn，脈寬長度變?yōu)?332.8 μs。具有鋁殼緩沖的加速度曲線如圖6所示，沖擊加速度峰值為 5 000 gn，脈寬長度為 624.6 μs[8]。

仿真結(jié)果表明，采用環(huán)氧樹脂灌封和外部殼體保護(hù)，能有效降低記錄儀硬著陸時(shí)的沖擊加速度，即能夠有效提高記錄儀的抗高沖擊要求。

圖3 機(jī)械殼體的仿真模型

圖4 無緩沖的過載曲線

圖5 膠皮緩沖后的過載曲線

圖6 鋁殼緩沖后的過載曲線

3 環(huán)氧樹脂灌封工藝研究

選用緩沖吸能效果好的環(huán)氧樹脂灌封材料，并采用合適的灌封工藝，是提高電路系統(tǒng)在高沖擊和振動環(huán)境下工作可靠性的有效方法。環(huán)氧樹脂固化成型后，具有硬度高、絕緣、耐腐蝕、耐老化、耐冷熱沖擊等特性[9]。

3.1 灌封工藝的技術(shù)要點(diǎn)

通過對多種灌封材料的對比和多次試驗(yàn)研究，本文選用5010A/5010－5B無色透明環(huán)氧樹脂灌封膠，固化后無氣泡、透明度佳、硬度高、韌性大，能有效提高電路抗沖擊能力[10－11]。其灌封工藝技術(shù)要點(diǎn)主要包括:

(1)氣泡處理 氣泡的存在不僅影響電性能，而且影響機(jī)械性能。膠料混合后，應(yīng)采用真空設(shè)備進(jìn)行排泡處理，真空與常壓交替進(jìn)行，在膠料不溢出的前提下，真空度盡量高。

(2)降低固化成型溫度 由于大多數(shù)環(huán)氧基在較低溫度下產(chǎn)生交聯(lián)時(shí)，可降低放熱峰值，減小灌注料的熱應(yīng)力。因此，固化結(jié)束后灌封體冷卻到室溫的溫差越小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越小。

(3)控制冷卻速度 在灌封體固化結(jié)束后冷卻到室溫的過程中，要避免驟然冷卻，緩慢降溫不會使凍結(jié)的大分子網(wǎng)處于不穩(wěn)定的高彈形變，熱松馳將有利于降低或基本消除內(nèi)應(yīng)力。

3.2 不同固化成型溫度對電路的影響

由于環(huán)氧基在較低溫度下產(chǎn)生交聯(lián)時(shí)，可降低放熱峰值，減小灌注料的熱應(yīng)力。所以，從凝膠預(yù)固化到后固化階段的升溫應(yīng)平緩，固化完畢后灌封件應(yīng)隨加熱設(shè)備同步緩慢降溫，以便從多方面減少、調(diào)節(jié)制件內(nèi)的應(yīng)力分布狀況，避免制件表面產(chǎn)生縮孔、凹陷甚至開裂現(xiàn)象。通過多套電路的固化成型溫度控制灌封試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在60℃時(shí)環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小，成功率最高，而大于70℃時(shí)電路有直接被損壞的現(xiàn)象。

3.3 不同固化成型時(shí)間對抗沖擊性的影響

將固化成型溫度控制在60℃后，對固化成型的最佳時(shí)間進(jìn)行了探索性試驗(yàn)[12]，并對所有灌封電路進(jìn)行模擬跌落試驗(yàn)(馬歇特錘試驗(yàn))，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 馬歇特錘試驗(yàn)現(xiàn)場

表1 不同固化成型溫度下的抗沖擊能力測試表

在不同固化成型時(shí)間條件下，部分存儲模塊的最大抗沖擊能力如圖8所示，其對比變化曲線如圖9所示。

圖8 固化成型時(shí)間與最大抗沖擊能力關(guān)系

圖9 抗沖擊能力隨固化成型時(shí)間的變換曲線

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，環(huán)氧樹脂灌封后，隨著固化成型時(shí)間的延長，系統(tǒng)抗沖擊能力增強(qiáng)，在達(dá)到6 h以后，再延長時(shí)間，則抗沖擊能力基本不再改變。通過對在高沖擊環(huán)境下仍能正常工作的各電路進(jìn)行測試，得出結(jié)論:將固化成型溫度控制在(60±5)℃，時(shí)間控制在6 h時(shí)，記錄儀的灌封成功率最高，且抗沖擊能力達(dá)到最強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過以上對回收式固態(tài)存儲記錄儀的軟件仿真和實(shí)際模擬試驗(yàn)證明，采用特殊熱處理過的高強(qiáng)度35CrMnSiA作機(jī)械殼體，內(nèi)部電路采用具有黏結(jié)固化緩沖效果的環(huán)氧樹脂灌封，外部再用鋁殼的多重緩沖保護(hù)措施，有效地提高了存儲記錄儀的抗高沖擊性能，灌封工藝的實(shí)驗(yàn)證明固態(tài)存儲記錄儀達(dá)到了最佳抗沖擊能力。在高沖擊下的工作狀態(tài)不會發(fā)生變化，記錄儀使用可靠、方便、靈活，能滿足抗高沖擊存儲要求，為彈載測試提供了一種更可靠的測試記錄儀器。

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