王小光，胡時(shí)光，2

(1.空軍工程大學(xué) 裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院， 西安 710000； 2.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)

1 引言

在火箭、導(dǎo)彈等高成本尖端武器研發(fā)過程中，飛控參數(shù)測(cè)試記錄工作尤為重要，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在箭、彈載存儲(chǔ)器上，記錄了彈體飛行過程中的各重要狀態(tài)過程參數(shù)，為后續(xù)彈體的改進(jìn)工作提供可靠依據(jù)。目前試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶場(chǎng)主要在一些荒無人煙的沙漠、草原、戈壁等偏僻地，為方便尋找，現(xiàn)階段常見的做法是在記錄儀墜落過程中釋放飄帶，方便觀察人員搜索。但彈載存儲(chǔ)器落點(diǎn)分布廣，不確定性大，依靠人工目視尋找不僅成本高，耗時(shí)耗力，且曾出現(xiàn)過存儲(chǔ)器丟失的情況，這對(duì)導(dǎo)彈后期的評(píng)估改進(jìn)造成重大影響。因此，研究如何定位并可靠回收彈載存儲(chǔ)器就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于可定位彈載存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可靠性問題的研究屈指可數(shù)。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]研究了基于無線電測(cè)向技術(shù)的彈載存儲(chǔ)器信標(biāo)，主要針對(duì)記錄儀外殼、發(fā)射天線建立簡(jiǎn)易模型進(jìn)行了跌落抗沖擊分析和軟件仿真驗(yàn)證，但是其對(duì)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)內(nèi)部的存儲(chǔ)模塊及信標(biāo)機(jī)等未進(jìn)行介紹建模，僅簡(jiǎn)單以環(huán)氧樹脂材料填充內(nèi)膽空間，故不能全面反映實(shí)際情況；而且由于外殼采用鋼體材料，造成了存儲(chǔ)器質(zhì)量過大；同時(shí)微帶天線采用螺絲固定凸出于存儲(chǔ)器表面，完全裸露在周邊環(huán)境中，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問題。文獻(xiàn)[4]僅對(duì)信標(biāo)機(jī)的防護(hù)進(jìn)行了介紹，采用35CrMnSiA外殼防護(hù)及內(nèi)部電路灌封強(qiáng)化的保護(hù)方法，并沒有涉及到存儲(chǔ)器相關(guān)研究。

針對(duì)上述問題，在文獻(xiàn)[2-3]的研究基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)了可定位存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。通過恰當(dāng)選擇存儲(chǔ)器殼體材料并合理設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)信標(biāo)機(jī)及微帶天線等關(guān)鍵部位進(jìn)行合理保護(hù)，并利用有限元仿真軟件Abaqus進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器裝置、信標(biāo)機(jī)及微帶天線進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，并對(duì)比已有文獻(xiàn)研究，驗(yàn)證優(yōu)化防護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器的硬著陸跌落回收是一個(gè)瞬態(tài)高沖擊過程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)器極為重要，合理可靠的結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)內(nèi)部采編存儲(chǔ)模塊和信標(biāo)機(jī)以及外部微帶天線等關(guān)鍵部件，使其在受到高值強(qiáng)沖擊下不產(chǎn)生大變形，能夠保證存儲(chǔ)器回收的方便性和可靠性。同時(shí)由于飛行器整體結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)器的體積及質(zhì)量有著嚴(yán)格控制要求，因此在存儲(chǔ)器殼體設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)殼體強(qiáng)度和緩沖材料的緩沖性能進(jìn)行綜合考慮，以減小質(zhì)量為前提，盡可能提高材料的強(qiáng)度。

根據(jù)被動(dòng)式緩沖減震技術(shù)及應(yīng)力波衰減原理的指導(dǎo)，存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用阻抗差別較大的多層材料構(gòu)成的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，采用灌封方法和殼體保護(hù)，能有效降低存儲(chǔ)器硬著陸時(shí)的沖擊加速度，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)落差(又稱為傳輸損失)，達(dá)到耗能緩沖的目的。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]的研究中，為了保證定位信號(hào)的強(qiáng)度及有效性，天線采用矩形貼片微帶天線，這種天線由雙面敷銅環(huán)氧樹脂印制電路板制成，可以緊密貼合在存儲(chǔ)器外表面，有一定的柔韌性，易共形，耐沖擊，不易碎，即使天線陣子在落地時(shí)產(chǎn)生局部破損也不會(huì)造成功能全失。結(jié)構(gòu)如圖1所示，殼體尺寸為115 mm×85 mm×125 mm，微帶天線尺寸為60 mm×60 mm×1.6 mm。天線通過螺釘固定安裝于存儲(chǔ)器的6個(gè)表面，但這種設(shè)計(jì)使得微帶天線突出裸露于存儲(chǔ)器殼體表面，在受到外部撞擊時(shí)容易產(chǎn)生損傷及脫落，因此對(duì)微帶天線的放置進(jìn)行優(yōu)化布局，同時(shí)鑒于已有文獻(xiàn)未對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明，此處對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化說明。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示，殼體尺寸為120 mm×90 mm×120 mm，微帶天線尺寸為40 mm×40 mm×1.6 mm。其結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械殼體、緩沖材料以及電路模塊和電池模塊。因在沖擊過程中，相對(duì)PCB而言，元器件如芯片可近似為剛體考慮，因此模型建立時(shí)將存儲(chǔ)器內(nèi)部電路簡(jiǎn)化為PCB板考慮。此改進(jìn)設(shè)計(jì)中，在存儲(chǔ)器各表面進(jìn)行了沉槽設(shè)計(jì)，采用更小尺寸的微帶天線，并通過強(qiáng)力膠粘貼固定于存儲(chǔ)器殼體各表面沉槽內(nèi)，并以環(huán)氧樹脂對(duì)沉槽空間進(jìn)行灌封，加強(qiáng)了對(duì)微帶天線的保護(hù)；內(nèi)部采用橡膠套、環(huán)氧樹脂等緩沖灌封材料進(jìn)行模塊化分層布局，再進(jìn)一步吸收沖擊能量，達(dá)到保護(hù)內(nèi)部采編存儲(chǔ)及信標(biāo)機(jī)電路等關(guān)鍵部位的作用。

圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2.2 材料選取優(yōu)化

文獻(xiàn)[2-3]為了保證在跌落沖擊后存儲(chǔ)器外殼不會(huì)產(chǎn)生大變形，其防護(hù)外殼采用35CrMnSiA硬質(zhì)鋼材料，這就能保證安裝貼片微帶天線不會(huì)有大的變形，從而能正常進(jìn)行發(fā)射無線電信號(hào)的工作；同時(shí)內(nèi)膽空間以環(huán)氧樹脂灌封。但是鑒于導(dǎo)彈整體結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求以及保證回收的可靠性，同時(shí)基于微帶天線不易碎、易共形的特性，此處對(duì)存儲(chǔ)器各模塊防護(hù)材料的選取進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)后的存儲(chǔ)器外殼采用硬鋁材料，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許存儲(chǔ)器落地時(shí)鋁制外殼產(chǎn)生一定量的變形，以吸收部分沖擊能量，同時(shí)減小了存儲(chǔ)器的整體質(zhì)量；信標(biāo)機(jī)殼體采用硬鋁殼材料，內(nèi)部電路以環(huán)氧樹脂真空灌封固化；采編存儲(chǔ)電路保護(hù)殼體采用35CrMnSiA材料以保護(hù)其內(nèi)部電路功能完好，其內(nèi)部電路同樣以環(huán)氧樹脂材料灌封固化。

3 仿真分析

3.1 創(chuàng)建有限元模型

仿真所涉及的存儲(chǔ)器三維模型均是在Solidworks中完成，采用1∶1比例尺寸進(jìn)行建模，同時(shí)在不影響整體結(jié)構(gòu)布局的前提下，把一些對(duì)分析結(jié)果影響不大但會(huì)增加網(wǎng)格劃分的難度甚至導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗的倒角、螺紋孔及小孔等細(xì)節(jié)略去，形成一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)潔的模型。在簡(jiǎn)化過程中，應(yīng)該盡量保證整體結(jié)構(gòu)剛度不變，關(guān)鍵部位形狀一致，這樣才能使信標(biāo)機(jī)及微帶天線等關(guān)鍵部位的結(jié)果得到可靠保證。由于存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可視為中軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，本文采用1/2結(jié)構(gòu)，在模型裝配建立完成后轉(zhuǎn)換為.X_T裝配格式導(dǎo)入Abaqus中。

..材料參數(shù)的選擇

仿真模型中，鋼殼、鋁殼、電路及砂礫地面等采用默認(rèn)彈塑性本構(gòu)模型，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。緩沖用的橡膠屬超彈性材料，仿真時(shí)選擇MOONEY-RIVLIN模型，為1 150 kg/m，為0.499，Mooney-Rivlin常數(shù)、分別為2 MPa、0.5 MPa。灌封用的環(huán)氧樹脂屬于粘彈性材料，選用MAT_VISCOELASTIC本構(gòu)模型，選取1 082 kg/m，體積彈性模量為1.70E+09 Pa，初始剪切模量為1.00E+09 Pa，終了剪切模量為5.0E+08 Pa。

表1 本慶材料參數(shù)

..定義約束及邊界條件

因仿真模型為1/2模型，需要對(duì)模型施加邊界約束條件，即在模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，使模型在受力時(shí)對(duì)稱面上的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生垂直于力方向上的位移；在砂礫地面外邊界施加非反射邊界條件，使得其變形不受地面尺寸影響。

..定義分析步及相互作用

由于存儲(chǔ)器的硬著陸跌落回收屬于瞬態(tài)高速?zèng)_擊問題，是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過程，在求解時(shí)選用求解器中通用分析步的顯式動(dòng)力學(xué)分析(Dynamic，Explicit)；在沖擊仿真模擬中，結(jié)構(gòu)之間的相互作用都是通過接觸算法實(shí)現(xiàn)，接觸算法選用“通用接觸”的接觸算法，該算法采用有限滑動(dòng)假設(shè)，并使用罰函數(shù)方法施加接觸約束，能夠自動(dòng)指定接觸面中的主面與從面，能很好地適用于涉及大變形的高度非線性變化的接觸問題。

3.2 失效判據(jù)

存儲(chǔ)器在回收過程中受到高速?zèng)_擊，會(huì)造成內(nèi)部電路板發(fā)生彎曲變形，可能導(dǎo)致電路板上導(dǎo)線短路、斷路、元器件引腳斷裂等而使測(cè)試失敗。為了簡(jiǎn)化分析模型，建模時(shí)不考慮芯片、焊點(diǎn)等細(xì)節(jié)，此處評(píng)估即參考印制電路板的IPC4101檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法，電路板的翹曲度允許值為1%。此處認(rèn)為，當(dāng)電路板的弓曲率大于0.5%時(shí)，電路板失效。

(1)

表示試樣的最大垂直偏離距離，表示試樣的有效長(zhǎng)度。信標(biāo)機(jī)電路板尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm(長(zhǎng)×寬×高)，即可知取=30 mm，則由式(1)計(jì)算得=0.15 mm。在有限元模型中電路板單元網(wǎng)格劃分尺寸為1 mm×1 mm×0.8 mm(長(zhǎng)×寬×高)。仿真時(shí)若電路板的任一單元網(wǎng)格在高方向上位移超過0.15 mm即認(rèn)為電路板失效。記單個(gè)網(wǎng)格擠壓前的體積為，擠壓后的體積為′，前后體積變化量為Δ。則對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格的體積應(yīng)變量為

因此，在仿真計(jì)算時(shí)認(rèn)為測(cè)試電路任一網(wǎng)格的等效塑性應(yīng)變PEEQ達(dá)到0.187 5時(shí)，則認(rèn)為信標(biāo)機(jī)電路板失效。

3.3 仿真結(jié)果

根據(jù)已有文獻(xiàn)研究可知，相同著陸初速下，存儲(chǔ)器著陸所受過載不僅受到攻角影響，同時(shí)也因俯仰角不同而不同。通過分析不同角度下的等效應(yīng)力云圖，表明裝置在垂直地面撞擊時(shí)受到的過載、應(yīng)力最大且最集中，對(duì)裝置的損傷最嚴(yán)重。因此，在仿真時(shí)選擇以垂直地面的下落姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)存儲(chǔ)器在空中跌落過程中由于質(zhì)心重力等原因，多數(shù)會(huì)以質(zhì)心偏移部位先著地，以此作為參考，設(shè)定300 m/s的速度撞擊砂礫地面，模擬最惡劣情況下存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)可靠性。

已有文獻(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器采編存儲(chǔ)模塊的鋼殼防護(hù)結(jié)構(gòu)研究眾多，因此不進(jìn)行深入討論，此處僅重點(diǎn)關(guān)注信標(biāo)機(jī)電路和微帶天線的變形問題，其應(yīng)力云圖如圖3。

由圖3可知，硬鋁制外殼碰撞接觸面應(yīng)力超過其屈服極限，產(chǎn)生較大變形；微帶天線的高載荷應(yīng)力集中出現(xiàn)在底部直接承受碰撞部位，此處天線所受應(yīng)力超過70 MPa，發(fā)生較大變形；同時(shí)在經(jīng)過外鋁殼、環(huán)氧樹脂及橡膠等多層材料變形緩沖后，信標(biāo)機(jī)鋁殼未達(dá)到屈服極限沒有發(fā)生變形，信標(biāo)機(jī)電路承受應(yīng)力最大值僅為61.55 MPa，電路得到有效保護(hù)。

圖3 應(yīng)力云圖

觀察信標(biāo)機(jī)電路云圖最大應(yīng)力位置，提取其等效塑性應(yīng)變PEEQ曲線如圖4，對(duì)應(yīng)等效塑性應(yīng)變最大值為0.067 9，遠(yuǎn)小于前文計(jì)算的失效閾值0.187 5，由此可知信標(biāo)機(jī)電路未失效。

圖4 等效塑性應(yīng)變PEEQ曲線

提取微帶天線及信標(biāo)機(jī)電路最大應(yīng)力位置沖擊加速度曲線如圖5，外殼表面最大變形微帶天線加速度峰值高達(dá)8.6×10，較之于文獻(xiàn)[2]中微帶天線仿真的沖擊加速度峰值15.468×10有很大減??；同時(shí)，沖擊強(qiáng)度在經(jīng)過一系列緩沖材料變形耗能后，信標(biāo)機(jī)電路板最大加速度僅為23×10。

圖5 加速度曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

鑒于存儲(chǔ)器工作環(huán)境的特殊性，以及實(shí)彈試驗(yàn)的高成本和不可重復(fù)性，分別對(duì)整體裝置、信標(biāo)機(jī)及微帶天線進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比仿真結(jié)果中信標(biāo)機(jī)和微帶天線可承受的最大加速度，驗(yàn)證裝置優(yōu)化的結(jié)構(gòu)合理性。

對(duì)整體裝置、信標(biāo)機(jī)和微帶天線分別都進(jìn)行了多次試驗(yàn)，在每次試驗(yàn)完成后測(cè)試其功能是否完好以此驗(yàn)證各模塊的抗沖擊性能。存儲(chǔ)器整體固定于沖擊臺(tái)座上，驗(yàn)證不同加速度沖擊下存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)果及信標(biāo)機(jī)定位功能是否正常，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示；使用夾具將信標(biāo)機(jī)固定，通過給定不同加速度驗(yàn)證信標(biāo)機(jī)能否正常工作及估算其可承受最大沖擊加速度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示；微帶天線置于與存儲(chǔ)器殼體同厚度的硬鋁板凹槽內(nèi)并以環(huán)氧樹脂填充灌封，保證與實(shí)際裝置同樣的邊界條件，而后通過螺絲固定于沖擊臺(tái)上，通過給定不同加速度驗(yàn)證微帶天線是否完好，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表2 裝置的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表3 信標(biāo)機(jī)的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 微帶天線的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表2至表4可看出，存儲(chǔ)器整體在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正常和信標(biāo)定位功能正常的前提下能承受峰值不小于76×10的加速度沖擊；與實(shí)際裝置同樣邊界條件的微帶天線在受到不小于1×10的加速度沖擊仍然能夠正常工作；而信標(biāo)機(jī)在直接受到49×10的時(shí)候已經(jīng)損壞，不過信標(biāo)機(jī)仍然能夠直接承受不低于33×10的加速度沖擊。而文獻(xiàn)[2-3]中僅對(duì)信標(biāo)機(jī)進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，其可承受最大沖擊加速度為283×10。

結(jié)合仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比文獻(xiàn)[2-3]中的仿真及試驗(yàn)結(jié)果，可知優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在受到強(qiáng)沖擊后，通過各材料的變形緩沖等作用，使得信標(biāo)機(jī)電路及微帶天線等關(guān)鍵部件所承受的加速度峰值有較大減小，保證其能正常工作。由此可證明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理可靠的，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力有所提高，能夠有效保護(hù)關(guān)鍵部位。

5 結(jié)論

在已有文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種含有信標(biāo)機(jī)和微帶天線的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。結(jié)合仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比優(yōu)化前后2種結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力可知：優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力有所提高，能夠保證存儲(chǔ)器在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信標(biāo)定位功能正常的前提下承受峰值不小于7.6×10的加速度沖擊，由此證明優(yōu)化設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、選材得當(dāng)，能夠有效保護(hù)關(guān)鍵部位不失效，提高了存儲(chǔ)器的定位回收可靠性。