孟令軍，趙盼盼（　中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原　03005；2　中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原　03005）

存儲測試模塊抗高沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計研究*

孟令軍1，2，趙盼盼1
（1中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；2中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051）

通過分析高過載條件下存儲測試模塊的侵徹破壞機理及其緩沖防護原理，并對撞擊過程進行動態(tài)模擬，分析電路板所受最大應(yīng)力及衰減情況，從而得出關(guān)于存儲模塊的微型化設(shè)計，根據(jù)牛頓第二定理建立了存儲模塊的波動方程，研究了應(yīng)力波在變截面體的傳播規(guī)律，得出應(yīng)力波的傳遞特性。與傳統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)進行分析比較，并進行炮擊試驗，得到最大加速度值約40 000g，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大加速度值約60 000g，該結(jié)構(gòu)具有更高的緩沖性能與抗沖擊性。

存儲測試模塊；緩沖防護；應(yīng)力波；波動方程

0　引言

導(dǎo)彈在發(fā)射以及侵徹過程中，承受著瞬時、高能、強沖擊，侵徹過程產(chǎn)生的應(yīng)力波幅值最大可達數(shù)萬g。當(dāng)彈體與硬目標碰撞時，會引起電路板破壞甚至變形，致使數(shù)據(jù)不能正常回讀［1］。為了保證存儲設(shè)備能夠正常工作并且成功的回收數(shù)據(jù)，存儲測試裝置不但要求能夠長時間采集并記錄實驗數(shù)據(jù)，而且必須滿足高過載條件下的抗高沖擊要求［2］。

彈體侵徹目標靶的過程等效于給彈體施加了一個沖擊，由于加載速率很快，在彈體中將產(chǎn)生彈塑性應(yīng)力波的傳播［3］，在著靶的瞬間，彈體及測試裝置經(jīng)受了猛烈的振動和沖擊過程，從而引起彈體內(nèi)各點的應(yīng)力、位移、速度、加速度發(fā)生快速變化。分析侵徹過程中的應(yīng)力變化曲線，驗證存儲結(jié)構(gòu)的緩沖性能。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計

防護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵就是為了降低數(shù)據(jù)存儲模塊的動能并衰減碰撞應(yīng)力波［4-5］。存儲模塊保護裝置見圖1所示。圖1（a）為存儲模塊保護裝置原理示意圖，圖1（b）為灌封后的存儲模塊保護裝置。

結(jié)構(gòu)采取球形底端、柱形殼體設(shè)計。根據(jù)變截面應(yīng)力波傳遞理論，將殼體底端設(shè)計成球形底端，應(yīng)力波從小截面向大截面?zhèn)鬟f時，存在應(yīng)力波衰減。

2　緩沖機理

2.1應(yīng)力波傳遞理論

應(yīng)力波在變截面體中傳播時，應(yīng)力波的強度會隨著截面面積的增大而衰減［6］。根據(jù)一維應(yīng)力平面波理論，當(dāng)強間斷彈性波從小端面向大端面?zhèn)鞑r，截面積間斷面之間將發(fā)生應(yīng)力波的反射和透射。間斷截面兩側(cè)總作用力相等、速度連續(xù)，如方程（1）所示：

式中：σi、σT、σR分別為入射波、透射波及反射波的應(yīng)力幅值；Vi、VT、VR分別為入射波、透射波及反射波的質(zhì)點速度幅值；A1、A2為間斷面兩側(cè)截面積；c0、ρ0為彈性縱波波速和殼體質(zhì)量密度；［σ］、［V］為波后波前應(yīng)力差和質(zhì)點速度差。由式（2）得透射波：

所以透射系數(shù)為：

當(dāng)應(yīng)力波由小端面向大端面?zhèn)鞑r，T＜1，透射應(yīng)力波幅值小于入射應(yīng)力波幅值，即應(yīng)力波存在衰減，存儲結(jié)構(gòu)的球形底端起到了緩沖作用。

圖1　存儲測試裝置

2.2建立波動方程

建立坐標系，原點o位于球形底端，ox為動坐標系，見圖2所示，沿底端豎直方向，沿ox方向取微元體dx，微段的運動方程如式（4）所示：

式中：e是應(yīng)力；A為 x處的橫截面面積，其中A= 2chxtanT，因此式（4）又可表示為：

在高沖擊條件下，侵徹瞬間應(yīng)力大于屈服極限，因此以下分析只考慮塑性階段。假定應(yīng)力與應(yīng)變呈線性函數(shù)且塑性階段為線性硬化，即e=E1x，其中E1為材料常數(shù)，C2=E1/d，f（t）=-mp¨z。得波動方程：

采用有限差分法求得位移的數(shù)值解后，進一步求得應(yīng)力的一系列數(shù)值解。畫出應(yīng)力的分布曲線，分析應(yīng)力波在存儲模塊中的傳播特性，可以看出應(yīng)力波在傳遞的過程中逐步衰減。

圖3　應(yīng)力波衰減曲線

3　模型動態(tài)模擬

在高過載、強沖擊條件下，存儲結(jié)構(gòu)的大小、形狀、質(zhì)量及其密度都將影響測試系統(tǒng)是否能成功回收數(shù)據(jù)［2］。假如某一零件的質(zhì)量為1 kg，則在105g的加速度作用下，所受到的與加速度方向相反慣性力為：

質(zhì)量由密度和體積決定，可見在相同材料確定的情況下，體積越大，系統(tǒng)的強度越弱，所以對防護結(jié)構(gòu)采取微型化設(shè)計。

對該設(shè)計結(jié)構(gòu)進行動態(tài)模型分析，取中間電路板上幾點，分析其所受應(yīng)力，應(yīng)力曲線如圖4（a）所示，與平底式存儲模型進行對比分析，取相同各點，分析結(jié)果如圖4（b）所示。

在實際的彈體結(jié)構(gòu)中，存儲器與外殼之間加有球形緩沖墊等，構(gòu)成面接觸，而非點接觸，根據(jù)這一實際情況，進行動態(tài)模擬分析，分析結(jié)果如圖4（c）所示。

以上三種結(jié)構(gòu)模型電路板所受最大應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，對比電路板所受最大應(yīng)力及衰減情況，得出球形底端存儲結(jié)構(gòu)的緩沖效果。

圖4　電路板處應(yīng)力曲線圖

4　炮擊試驗

試驗條件：加農(nóng)炮在約100 m距離上侵徹2.5 m ×2.5 m×1.5 m的鋼筋混凝土靶。侵徹測試中，炮彈穿過鋼筋混凝土靶板，由天幕靶測速。1#炮彈出炮口的速度為 742.4 m/s，2#炮彈出炮口的速度為756.5 m/s，分別對應(yīng)球形底端存儲器和平底式存儲器。在實際彈體裝配中，兩個存儲器的其他條件（如防護外殼，灌膠情況，電路板芯片布局情況等）均相同。

試驗結(jié)果：彈體完好，存儲器讀數(shù)正常，回讀傳感器數(shù)據(jù)并進行分析，分析結(jié)果見圖5所示。

圖5（a）、圖5（b）均為濾波后傳感器輸出信號，分析結(jié)果如表1所示。

表1　信號分析結(jié)果

圖5　加速度信號曲線

5　結(jié)論

在高過載條件下，能夠獲得準確、可靠的測試數(shù)據(jù)是當(dāng)前存儲測試模塊研究的重點，而成功回收數(shù)據(jù)、緩沖防護是關(guān)鍵，根據(jù)變截面應(yīng)力波的傳遞理論，設(shè)計一種新的存儲測試結(jié)構(gòu)，旨在從結(jié)構(gòu)設(shè)計本身加強其緩沖防護能力。通過LS-DYNA對其模型進行動態(tài)仿真分析，分析其應(yīng)力傳播特性，最終進行炮擊試驗，回收數(shù)據(jù)，得到理想效果。

［1］姬永強，李映輝，聶飛.彈載數(shù)據(jù)存儲模塊抗高過載防護技術(shù)研究［J］.振動與沖擊，2012，31（18）：104 -106.

［2］劉俊，石云波，游春.高過載測試中結(jié)構(gòu)防護模型研究［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2005，19（3）：249-253.

［3］劉曉鵬，石云波，朱政強.應(yīng)力波在彈體侵徹靶板中的傳播特性研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2008，29（8）：557 -559.

［4］徐鵬，范錦彪，祖靜，等.高g值沖擊下存儲測試電路模塊緩沖保護研究［J］.實驗力學(xué)，2005，20（4）：610 -614.

［5］吳曉莉，張河.高沖擊下電子線路灌封材料的緩沖機理及措施研究［J］.包裝工程，2004，25（1）：44-46.

［6］姚磊，李永池.應(yīng)力波在變截面體中的傳播特性［J］.爆炸與沖擊，2007，27（4）：345-347.

［7］鮑愛達，陳員娥，李長龍，等.彈載加速度記錄儀在沖擊環(huán)境下的失效研究［J］.振動與沖擊，2012，32 （13）：82-85.

Anti-impact Design for Storage Test Module

MENG Lingjun1，2，ZHAO Panpan1
（1Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；2National Key Laboratory of Electronic Measurement Techndogy，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on analysis on penetration failure mechanism and buffering protection principles of storage test module under high-overload and dynamic simulation on impact，the maximum stress which circuit board suffered from and its attenuation were analyzed，accurate data and some conclusions about structure miniaturization were got.According to Newton’s second theorem，the wave equation of the module was established and the stress wave propagation in variable sections was acquired.Compared with traditional structures by means of shelling，the maximum acceleration of the proposed is about 40 000 while that of the traditional is about 60 000，from those experimental results，it can be concluded that the proposed structure in this paper has higher cushioning properties and impact resistance.

storage test module；buffering protection；stress wave；wave equation

TP202

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.035

2015-01-28

國家自然科學(xué)基金（50975266）；國家自然基金重大研究計劃（91123036）資助

孟令軍（1969-），男，山東青島人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：集成測量系統(tǒng)及儀器、微納儀器及測試技術(shù)。