JIN Shuyun，JIN Hong*，ZHANG Yanbing，LI Yuewu，WANG Huan

(1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China; 3.Shanghai Maritime University Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering Ministry of Communications，Shanghai 201306，China)

Anti-Impact Design for Missile Accelerometer Recorder*

JIN Shuyun1，2，JIN Hong1，2*，ZHANG Yanbing1，2，LI Yuewu3，WANG Huan1，2

(1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China; 3.Shanghai Maritime University Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering Ministry of Communications，Shanghai 201306，China)

Two buffer protection structure of the missile-borne is put forward for missile parameters test failure due to deformation or damage in penetration test environment by high impact，Level 1 buffer is high mechanical strength steel protective shell and Level 2 is aluminum foam nested within the machined shell.It proves that under the environment of 100 000 gnhigh impact the recorder can store and read back the test data reliably after penetrating 3 layers concrete target.

instrumentation engineering;anti-high impact;penetration;acceleration data recorder;two buffer protection

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和防御體系的發(fā)展，越來越多重要的軍事目標(biāo)被掩護(hù)在地底下，并且通過多層介質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，為了摧毀這些掩體，需要用到侵徹彈，而侵徹彈記錄儀的安全性和可靠性將直接影響侵徹彈能否在正確時(shí)間和正確位置引爆［1－3］。侵徹彈在侵徹介質(zhì)時(shí)，會(huì)受到巨大的沖擊力，產(chǎn)生巨大的沖擊波，這些沖擊波具有初值高、作用時(shí)間短的特點(diǎn)。沖擊波在侵徹彈中傳播時(shí)會(huì)對(duì)記錄儀造成一定的破壞性，可能造成誤引爆。因此，須對(duì)記錄儀模塊采取一定的防護(hù)措施［4－6］。

為了對(duì)記錄儀進(jìn)行保護(hù)，使記錄儀滿足彈載試驗(yàn)要求。本文設(shè)計(jì)兩級(jí)緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，選用高強(qiáng)度鋼機(jī)械殼體作為一級(jí)防護(hù)，泡沫鋁層作為二級(jí)緩沖，采用LS-DYNA對(duì)緩沖材料的緩沖性能進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)彈體侵徹3層混凝土層打靶試驗(yàn)。

1 防護(hù)設(shè)計(jì)

防護(hù)設(shè)計(jì)主要是利用記錄儀機(jī)械外殼的高強(qiáng)度來保護(hù)記錄模塊，使其與彈體外部或內(nèi)部其他零件隔離開，使其在只受到自身慣性力作用時(shí)不發(fā)生塑性形變。

1.1 殼體設(shè)計(jì)

彈載加速度記錄儀的防護(hù)設(shè)計(jì)可分為記錄模塊殼體設(shè)計(jì)和記錄儀殼體設(shè)計(jì)兩個(gè)層面。記錄模塊的殼體設(shè)計(jì)要對(duì)殼體強(qiáng)度和緩沖器件的緩沖性能進(jìn)行綜合考慮，以減小質(zhì)量為前提，盡可能提高材料的比強(qiáng)度，同時(shí)采用抗壓強(qiáng)度較好的加隔離加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)。因?yàn)椴牧舷嗤?，殼體的強(qiáng)度越大則質(zhì)量越大，對(duì)緩沖器件的要求相應(yīng)提高。彈載記錄儀機(jī)械殼體的設(shè)計(jì)目的是在多次強(qiáng)沖擊過程中保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的記錄模塊、緩沖器件和傳感器不被彈體內(nèi)部的其他零部件擠壓，且在彈體損壞的情況下，有效防止記錄模塊與彈體的碎片或侵徹目標(biāo)的剛性撞擊。設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，記錄模塊的殼體用于封裝測(cè)試電路，外殼體用于安裝記錄模塊、緩沖器件和傳感器［7－8］。

圖1 記錄儀殼體結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到系統(tǒng)外殼體與彈體內(nèi)部的裝配，機(jī)械外殼通常采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制作的圓柱形結(jié)構(gòu)。為了防止內(nèi)外殼體之間的轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓，電路連線記錄模塊設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。

1.2 走線魯棒性設(shè)計(jì)

魯棒性是指系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)維持某些性能的特性，是系統(tǒng)在異常和危險(xiǎn)情況下生存的關(guān)鍵［9］。導(dǎo)線的魯棒性是指在高沖擊環(huán)境下，測(cè)試系統(tǒng)連接導(dǎo)線的生存能力。

高沖擊測(cè)試系統(tǒng)中，在高沖擊環(huán)境下，考慮導(dǎo)線的受力狀態(tài)和失效模式，設(shè)計(jì)側(cè)端“之”形走線方式，如圖2所示，同時(shí)在導(dǎo)線的周圍采用石蠟灌封，保證導(dǎo)線在侵徹過程中與殼體沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且有利于對(duì)電路模塊的緩沖設(shè)計(jì)。

圖2 “之”形走線示意圖

2 緩沖設(shè)計(jì)

在記錄模塊設(shè)計(jì)過程中，元件被強(qiáng)化固封在高強(qiáng)度的殼體內(nèi)，一定程度上提高了抗過載性能。實(shí)際的多層侵徹實(shí)驗(yàn)中，因過高的應(yīng)力損壞導(dǎo)致記錄模塊丟失數(shù)據(jù)時(shí)有發(fā)生，表明系統(tǒng)的存活性比較脆弱。為了保證可靠測(cè)試，在侵徹過程中，降低記錄模塊所承受的過載值非常重要。

被動(dòng)緩沖隔離可以有效降低記錄模塊所承受的過載值，是對(duì)記錄模塊進(jìn)行保護(hù)的有效技術(shù)途徑之一。被動(dòng)緩沖隔離采用適當(dāng)?shù)木彌_材料和緩沖結(jié)構(gòu)，在侵徹過程中，對(duì)高過載進(jìn)行濾波隔離;在高沖擊過程中，吸收存儲(chǔ)產(chǎn)生的能量。但由于彈載測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部空間有限，很大程度上限制了緩沖器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此緩沖材料的選擇極為重要。

彈性模量小、伸長(zhǎng)率大、彈性高、強(qiáng)度高是橡膠的主要特征。這使得橡膠被廣泛用作隔離振動(dòng)和吸收沖擊的緩沖材料。泡沫鋁是一種可通過改變密度調(diào)節(jié)彈性模量且各向同性的金屬材料，具有較高的抗彎剛度和沖擊波吸收能力［10］。尼龍、環(huán)氧樹脂因其具有較大的彈性模量，部分場(chǎng)合也選擇它們作為緩沖性能的材料。本文利用LS-DYNA對(duì)幾種材料的緩沖性能進(jìn)行數(shù)值模擬，以選出最佳的緩沖材料。

2.1 泡沫鋁等緩沖材料仿真

為了更直觀的模擬材料的緩沖性能，在沖擊模塊施加一個(gè)峰值為100000 gn、脈寬2 μs的加速度。加速度施加在沖擊模塊上，并作用在緩沖模塊上。建模過程中沖擊模塊、緩沖模塊、記錄模塊之間的接觸都采用面面自動(dòng)接觸。實(shí)驗(yàn)仿真模型如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)仿真模型

2.1.1 材料模型和仿真參數(shù)

模擬效果的好壞，很大程度上取決于所選的材料模型和仿真參數(shù)。文中緩沖模塊和記錄模塊仿真時(shí)所用到的半徑、厚度均與所設(shè)計(jì)傳感器尺寸相同，沖擊模塊只是力的載體，尺寸大小對(duì)緩沖效果并無影響，在仿真時(shí)選用的尺寸與記錄模塊相同。在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上確定材料模型及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型及相關(guān)參數(shù)

2.1.2 仿真分析

以4種不同的材料作為緩沖模塊，在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，除了材料模型和參數(shù)不同外，其他條件均相同，得到加速度曲線如圖4所示。

圖4 加速度曲線

其中，曲線A為沖擊部分的加速度曲線，加載峰值為100 000 gn，LS-DYNA取的為質(zhì)心加速度曲線，峰值降為50 000 gn，B、C、D、E分別為橡膠、泡沫鋁、尼龍、環(huán)氧樹脂作為緩沖材料時(shí)的加速度曲線，從曲線可以看出，4種材料均達(dá)到了緩沖的目的，達(dá)到峰值的時(shí)間變慢、峰值變小、脈寬變寬。分析4種材料，其中橡膠、尼龍、環(huán)氧聚酯這些高分子材料緩沖效果幾乎一樣，泡沫鋁緩沖效果明顯較其他3種材料更好。因此選用泡沫鋁做緩沖材料。

2.2 緩沖裝置設(shè)計(jì)

金屬圓柱殼由于其以可控的方式吸收能量、破壞模式穩(wěn)定、吸能效率高是應(yīng)用廣泛的緩沖裝置之一。但金屬圓柱殼和泡沫鋁緩沖共同的缺點(diǎn)是理想吸能效率并不是太高且沖擊力不穩(wěn)定，不利多層侵徹緩沖裝置的設(shè)計(jì)。近年來，許多研究者將薄壁管和泡沫材料相結(jié)合，獲得了很好的緩沖效果，吸能能力得到了很大的提高。將泡沫鋁填充在薄壁管塑性變型緩沖器中可以構(gòu)成很好的緩沖吸能裝置，因此，對(duì)這種新型組合緩沖裝置吸能緩沖特性的研究有非常重要的意義。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置如圖5所示。

圖5 緩沖試件實(shí)物圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

彈載記錄儀整體示意圖如圖6所示。

圖6 彈載加速度記錄儀整體示意圖

設(shè)計(jì)試驗(yàn)用滑膛炮以600 m/s的出膛速度侵徹3層混凝土靶板，靶板厚0.15 m，靶間距1.2 m。試驗(yàn)結(jié)束后，從彈體中取出記錄儀模塊，得到實(shí)測(cè)加速度曲線如圖7所示。

圖7 實(shí)測(cè)加速度曲線

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，彈體侵徹3層混凝土層，加速度曲線表現(xiàn)為3個(gè)負(fù)向峰值。彈體侵徹一層混凝土過程分為兩個(gè)階段，第1階段為初始撞擊階段，表現(xiàn)在曲線上就是一個(gè)高幅值的負(fù)向脈沖，隨著彈體進(jìn)一步侵徹，進(jìn)入第2階段，彈頭穿過混凝土靶板，彈體在混凝土中穿出，這一階段伴隨著小的震動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)較高的震蕩，表現(xiàn)在曲線上為小的基線抖動(dòng)和小幅震蕩。當(dāng)彈尾穿出，彈體基本平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)在曲線上為平滑的基線。

4 結(jié)論

本文提出了彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀兩級(jí)保護(hù)結(jié)構(gòu)，一級(jí)為高強(qiáng)度鋼的機(jī)械外殼防護(hù)，二級(jí)為薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置，有效提高了彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀的抗高沖擊能力。通過彈體侵徹3層混凝土靶板實(shí)測(cè)試驗(yàn)，彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀能夠可靠的存儲(chǔ)并回讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了在100 000 gn

高沖擊環(huán)境下彈載記錄儀的工作的可靠性。

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靳書云(1989－)，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器、虛擬儀器，jinshuyunfd@ 163.com;

靳鴻(1974－)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。1997年7月畢業(yè)于華北工學(xué)院測(cè)試技術(shù)系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位;2000年9月至2003年4月，在華北工學(xué)院電子工程系讀碩士研究生，并獲得碩士學(xué)位;2011年11月，獲中北大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器專業(yè)博士學(xué)位。1997年7月留校任教，2008年7月被聘為副教授。2013年聘為教授。研究方向:惡劣環(huán)境的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，微型彈載測(cè)試儀和智能儀器。

彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀抗高沖擊設(shè)計(jì)*

靳書云1，2，靳鴻1，2*，張艷兵1，2，李躍武3，王歡1，2
(1.中北大學(xué)電子測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 3.上海海事大學(xué)航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306)

針對(duì)彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀在侵徹環(huán)境下受到高沖擊力易變形或損壞導(dǎo)致測(cè)試失敗的問題，提出彈載加速度數(shù)據(jù)記錄儀兩級(jí)緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，一級(jí)為高強(qiáng)度鋼的機(jī)械外殼防護(hù)，二級(jí)為薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置。通過實(shí)體彈侵徹3層混凝土試驗(yàn)，彈載加速度記錄儀能夠可靠存儲(chǔ)并回讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了在100 000 gn高沖擊環(huán)境下記錄儀的工作可靠性。關(guān)鍵詞:儀器儀表工程;抗高沖擊;侵徹;加速度數(shù)據(jù)記錄儀;兩級(jí)緩沖保護(hù)

TP212.1

A

1004－1699(2014)04－0463－04

2014－02－27修改日期:2014－04－07

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.008

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275488);某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目;中北大學(xué)第十屆研究生科技基金項(xiàng)目(20131036)