高過載環(huán)境下輕質(zhì)電路緩沖保護方法

盧劍平，徐　鵬，王　燕

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原　030051)

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高過載環(huán)境下輕質(zhì)電路緩沖保護方法

盧劍平，徐鵬，王燕

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051)

0引言

鉆地導(dǎo)彈在侵徹硬目標(biāo)過程中彈體的加速度數(shù)據(jù)獲取非常重要，這直接決定了彈體的強度設(shè)計，彈藥能否在預(yù)設(shè)層數(shù)引爆，防御層的效果評價等。在實際彈體加速度測試中，彈體和目標(biāo)靶碰撞過程加速度很高，內(nèi)部組件和電子設(shè)備需要承受的過載高達104~105g，測試電路易發(fā)生損壞，導(dǎo)致加速度數(shù)據(jù)測不著。因此，需要對測試電路進行一定的防護設(shè)計[1-2]。

測試儀器的防護措施通常有兩個方面：內(nèi)部加固和外部緩沖，文獻[3]中采用增加外殼強度和多種材料緩沖的方法，但模擬緩沖的沖擊脈寬較窄(2 μs)，文獻[4]中采用內(nèi)部填充泡沫鋁結(jié)構(gòu)，達到對40 000g峰值加速度進行緩沖，對于更高g值的沖擊并未考慮。本文針對上述問題，提出了高g值環(huán)境下輕質(zhì)電路緩沖保護方法。

1電路緩沖保護方法

1.1電路內(nèi)部加固

現(xiàn)有的國內(nèi)外加速度測試多用彈載存儲測試技術(shù)，彈載存儲測試通常由三個部分組成：加速度傳感器、通用電路模塊、電池。通用電路模塊作為最薄弱的環(huán)節(jié)需要進行兩方面的保護，一是外部高強度鋼外殼保護，二是內(nèi)部環(huán)氧灌封固定。

在做侵徹試驗時，為模擬實彈的效果，模擬彈的質(zhì)量體積需要與實彈相同，這決定了存儲測試系統(tǒng)的空間和質(zhì)量是固定的，并且余量很小。外殼的強度和密度需要綜合考慮，以保證外殼強度為前提，盡可能的減少外殼的厚度和體積。綜合多種材料考慮，采用強度高達800~1 000 MPa的高強度復(fù)相(CP)鋼[3，5-6]。

在侵徹過程中，應(yīng)力波的傳遞會使得電路內(nèi)部組件相互擠壓，電路板靠近撞擊地點和遠(yuǎn)離撞擊地點的部位受壓情況不同，若不固定會導(dǎo)致電路板被壓裂和板上的元器件脫落。采用環(huán)氧灌封電路一方面可以固定電路板，同時由于環(huán)氧自身阻尼特性的特性可對電路模塊起到一定的保護作用。

1.2泡沫鋁鋁殼緩沖

在實際測試中，外部鋼殼保護和內(nèi)部環(huán)氧灌封的方式確實能對電路模塊產(chǎn)生有效的保護作用，但當(dāng)侵徹軸向加速度超過25 000g時，存在電路模塊損壞的情況。這說明強度增加后的電路模塊裝置失效極限值為25 000g，高g值沖擊需要通過外部緩沖減少電路模塊的過載。

對于高g值緩沖，原則是：在滿足被緩沖物的加速度降到極限閾值內(nèi)的同時，緩沖模塊不會被過度壓縮，仍具有緩沖能力，可吸收一定的能量，從而避免二次撞擊時無法緩沖而致使電路模塊損壞。

緩沖的物理意義就是在應(yīng)力波到達被緩沖物體之前，吸收大量的沖擊從而減小應(yīng)力波，同時將沖擊加速度的峰值往后移，增加脈寬，從而使被緩沖物免受破壞。由于彈上空間有限，緩沖材料只能控制在很小的體積以內(nèi)，如何在很小的體積下獲得最大的能量吸收極其重要。

圖1　泡沫鋁應(yīng)力應(yīng)變率曲線Fig.1　Foamed aluminum stress-strain curve

泡沫鋁作為一種不規(guī)則多孔的金屬材料，具有較輕的質(zhì)量，較大的比剛度和較高的比強度等特點，有較寬的應(yīng)力平臺且壓潰載荷較大不易碎裂，廣泛應(yīng)用于緩沖結(jié)構(gòu)中。從靜壓曲線可以看出泡沫鋁有較平穩(wěn)的屈服段，應(yīng)力平臺很寬可以吸收大量能量，但應(yīng)力平臺較低在侵徹過程中容易被壓潰。薄殼結(jié)構(gòu)軸向受到載荷時會發(fā)生屈曲變成，在變形過程中可以吸收大量能量，但在靜壓的彈性階段峰值較高，平臺段不穩(wěn)定。綜合考慮兩種吸能材料的優(yōu)劣，設(shè)計了鋁殼填充泡沫鋁耦合的方式，泡沫鋁與鋁殼耦合的方式疊加增加了緩沖材料吸能的特性，提高了屈服階段的平臺應(yīng)力和穩(wěn)定性[7-8]。

2仿真與實驗分析

2.1仿真設(shè)計

為研究泡沫鋁殼組合件的緩沖性能，采用ANSYS/LS-DYNA模擬空氣炮上子彈撞擊儀器時泡沫鋁和鋁殼組合件的緩沖性能[9-10]。

空氣炮主要由三部分組成：光滑的加速空腔，通過高壓縮氣體加速的子彈，測試儀外殼。子彈放在空氣炮空腔的一端，在空腔同一端充填高壓氣體。當(dāng)高壓氣體被釋放時，子彈被推動，短時間內(nèi)速度增加到較大的值，從而使子彈與測試儀外殼撞擊時產(chǎn)生很高的g值。由于空腔內(nèi)壁非常光滑，子彈在加速到最大速度以后可認(rèn)為無摩擦的勻速運動，ANSYS模型構(gòu)建是可不考慮空腔。同時為增大子彈撞擊外殼的加速度脈寬，可在測試儀外殼的撞擊面粘貼一層羊毛氈。

模型構(gòu)建如圖2和圖3所示：采用模型如圖2依次為外部子彈，羊毛氈和測試儀外殼三部分，圖3為測試儀外殼內(nèi)部泡沫鋁和鋁殼組合件以及電路模塊，共6個部分，子彈和羊毛氈之間的接觸算法為侵徹算法，其他部分之間接觸為自由接觸。

圖2　空氣炮外部模型Fig.2　Air gun external model

圖3　鋼殼內(nèi)部Fig.3　Internal steel shell

為模擬在高g值下緩沖材料對于電路模塊的實際緩沖效果，ANSYS中設(shè)定材料參數(shù)全部由實驗測得。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)羊毛氈的恢復(fù)系數(shù)K=0，即在受壓結(jié)束后羊毛氈不恢復(fù)，羊毛氈的變形為塑性變形。模擬時為簡化計算電路內(nèi)部受力暫不考慮，子彈和電路模塊均用同等質(zhì)量的質(zhì)量塊代替。實驗測定的部分材料參數(shù)如表1。

表1　材料參數(shù)表

注：泡沫鋁使用的材料模型中需要的應(yīng)力應(yīng)變率曲線由泡沫鋁多次靜壓應(yīng)力取平均計算而得；泡沫鋁，羊毛氈，鋁殼彈性模量由靜壓實驗數(shù)據(jù)確定。

2.2仿真結(jié)果分析

在子彈上加載一定的初速度150 m/s，當(dāng)沖擊加速度達到50 000g時，在不改變速度和其他參數(shù)的情況下，緩沖材料以不同密度泡沫鋁和不同厚度的鋁殼組合。緩沖變形如圖4。

圖4　緩沖后鋁殼厚度不同時的變形Fig.4　The deformation of the buffered aluminumshell thickness not at the same time

泡沫鋁鋁殼組合件在緩沖時的屈曲方式主要由鋁殼的厚度決定，屈曲變形的最終形態(tài)與同種壁厚的組合件變形模式相同。由于是高速侵徹，組合件都是由受力端開始變形，這與靜壓實驗時從內(nèi)部缺陷部分先變形的方式有明顯不同。同時組合件的變形方式主要由外殼厚度決定，內(nèi)部填充泡沫鋁密度對于整個組合件屈服變形情況影響較小。在緩沖過程中1.0 mm壁厚的鋁殼為軸對稱疊縮，在壓縮過程中更加穩(wěn)定，因此選用1.0 mm厚的鋁殼。

沖擊加速度達到50 000g和20 000g時，泡沫鋁的密度對于緩沖效果的影響如圖5。

由圖5可以看出該緩沖結(jié)構(gòu)有如下特點：對于脈寬200μs,峰值50 000g的沖擊來說，泡沫鋁和鋁殼組成的組合件均可使電路模塊上的加速度緩沖到25 000g以下，緩沖效率達到50%以上，同時將加速度峰值后移，增加脈寬。

當(dāng)沖擊加速度未達到電路模塊能承受的加速度極限閥值25 000g時，該結(jié)構(gòu)將加速度峰值對于加速度緩沖較小，緩沖效率較低，只將脈沖峰值后移，緩沖模塊變形較小。

圖5　ANSYS仿真電路模塊緩沖前后加速度曲線Fig.5　Acceleration curve of the ANSYS simulationcircuit module

對比不同密度和不同厚度組合件，10 mm厚鋁殼與1.1 g/cm3密度泡沫鋁組合擁有最大吸能效率。

當(dāng)碰撞時的加速度達到78 650g時，ANSYS仿真結(jié)果為壁厚10 mm鋁殼與1.1g/cm3密度泡沫鋁組合件達到壓實狀態(tài)，電路模塊緩沖前后加速度曲線如圖6。

針對200 g的電路模塊，該緩沖結(jié)構(gòu)最大可緩沖峰值為78 650g，脈寬250 μs的加速度信號，最大緩沖效率69%，若加速度信號大于該閾值時，緩沖材料可能無法達到需要的緩沖結(jié)果。

圖6　壓實狀態(tài)時的緩沖前后加速度曲線Fig.6　The acceleration curve of the bufferbefore and after compaction

3空氣炮實驗

設(shè)計了基于空氣炮的泡沫鋁組合件緩沖能力驗證實驗。實驗主要由五部分組成：空氣炮的子彈、裝有兩個8309傳感器和電路模塊的測試合金鋼外殼、多普勒激光干涉儀、激光發(fā)射與接收器、邏輯分析儀,見圖7。為對比緩沖前后電路模塊的加速度變化，在整個被撞物體裝有兩個單軸加速度傳感器，分別安裝在鋼外殼與子彈直接接觸面上和緩沖過的電路模塊中。

電路模塊200g，在子彈上施加0.2 MPA的大氣壓，撞擊結(jié)束后回收電路模塊，回收的加速度數(shù)據(jù)圖8所示。

圖7　空氣炮測試裝置Fig.7　Air gun test device

圖8　電路模塊緩沖前后加速度曲線Fig.8　Acceleration curve of the circuitmodule buffer before and after

比較外殼加速度和電路模塊緩沖后加速度曲線，泡沫鋁鋁殼耦合結(jié)構(gòu)有良好的緩沖效果，成功將電路模塊的峰值62 270g的加速度緩沖到峰值23 100g，緩沖效率高達62.9%，電路模塊后電路模塊工作正常。

4結(jié)論

本文提出了高g值環(huán)境下輕質(zhì)電路緩沖保護方法。該方法采取電路內(nèi)部加固結(jié)合泡沫鋁鋁殼耦合緩沖的方法，對高沖擊電路進行緩沖。采用有限元ANSYS/LS-DYNA仿真和空氣炮試驗結(jié)合的方法，對泡沫鋁鋁殼耦合的緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖性能進行的探討。仿真和試驗表明：該緩沖結(jié)構(gòu)可以有效吸收高沖擊時的能量，同時增加高g值加速度脈寬，減小峰值；緩沖結(jié)構(gòu)有一定抗壓強度，對低g值緩沖較小，高g值是壓縮變形較大，提高緩沖的有效性，但緩沖峰值依舊未能達到100 000g，脈寬還比較窄，組合結(jié)構(gòu)無法達到最優(yōu)，這有待結(jié)構(gòu)上進一步優(yōu)化。

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摘要:針對現(xiàn)有高過載沖擊過程中電路模塊易發(fā)生損壞的問題，提出了高過載環(huán)境下輕質(zhì)電路緩沖保護方法，該方法通過泡沫鋁和鋁殼結(jié)合的緩沖結(jié)構(gòu)來增加電路模塊的存活性，并通過ANSYS仿真該緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖效果，結(jié)合空氣炮實驗驗證了該緩沖結(jié)構(gòu)的實用性。仿真驗證和試驗表明該緩沖結(jié)構(gòu)可以有效吸收高沖擊的能量，減小高沖擊的峰值。

關(guān)鍵詞:高過載；侵徹；存活性；緩沖

High Overload Buffer Protection of Light Circuit ModuleLU Jianping, XU Peng, WANG Yan

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

Measurement Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:Considering the circuit module was susceptible during the high g shock, a method through the buffer of light circuit module in high overload shock environment was proposed. By using the structure of foam aluminum and aluminum shell to increase the viability of circuit module. ANSYS simulation of the buffering effect of the buffer structure and the structure of air gun experiments verified the practicability of the method. Simulation and experiment showed that the buffer structure could effectively absorb high impact energy, reducing the peak time of high impact.

Key words:high overload; penetration; viability; buffer

中圖分類號:TH707

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1008-1194(2015)06-0099-04

作者簡介:盧劍平(1991—)，男，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向：動態(tài)測試與智能儀器。E-mail:15135165019@163.com。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目資助(51275488)

*收稿日期:2015-04-21