彈載記錄器的抗高過載分析及設(shè)計*

馬其琪，徐曉輝，孔雁凱，郭 濤

(1 中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051;2 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051;3 洛陽理工學院工程訓練中心，河南洛陽， 471023)

0 引言

近年來，彈載存儲測試技術(shù)的研究已經(jīng)成為航空航天以及軍事技術(shù)學科的一個重要方向，具有廣泛的應(yīng)用前景，它是在特殊環(huán)境條件下完成各種參數(shù)測試的有效方法。彈載記錄器在應(yīng)用過程中，暴露出了產(chǎn)品可靠性低的問題。面臨的一大難題是如何提高產(chǎn)品可靠性，提高設(shè)備的各項性能指標以及保證產(chǎn)品安全可靠的工作。為了準確的獲取彈體在飛行過程中的各種姿態(tài)參數(shù)，記錄器在設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用的全過程都必須重視可靠性研究。由于彈載記錄器一般是一次性使用的特殊設(shè)備，所以記錄器的可靠性問題就是飛行過程中的抗高過載問題。

1 彈載記錄器的抗高過載分析

彈體侵徹時在混凝土靶板接觸界面處產(chǎn)生很強的應(yīng)力，并向記錄器傳播應(yīng)力波;彈體逐漸進入靶板，記錄器殼體的底部與混凝土接觸部分所受應(yīng)力最大，其次頂部中心的應(yīng)力也較大;彈體即將離開靶板時，記錄器底部所受應(yīng)力仍是最大的，并且側(cè)面與彈體接觸部分所受應(yīng)力也很大。因此，彈體侵徹時，記錄器外殼結(jié)構(gòu)的底部以及外殼結(jié)構(gòu)與彈體的接觸面承受的應(yīng)力最大。

圖1 彈體侵徹標靶應(yīng)力分布圖

通過分析回收記錄器，可以總結(jié)出彈載記錄器的失效模式主要是:外殼失效，電路體失效。

1.1 外殼失效機理分析

彈載記錄器隨彈體侵徹目標的過程相當于是高速率沖擊碰撞過程。在高過載、高沖擊環(huán)境下，記錄器外殼因所承受的屈服應(yīng)力等原因會發(fā)生形變或斷裂，引起灌封材料的擠壓、拉伸、剪切應(yīng)力改變，使得電路灌封體出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，最終導致電路板或芯片結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)力超過破壞強度而發(fā)生斷裂、電路短路或斷路等，從而導致記錄器失效。

在高過載沖擊動態(tài)載荷下，所發(fā)生在材料中的損傷和破壞，是與速率密切相關(guān)的動態(tài)過程，如果承受的載荷強度明顯超過了材料的屈服應(yīng)力強度，材料的薄弱環(huán)節(jié)就會變成各種損傷。

彈載記錄器在高過載、高沖擊環(huán)境下的損傷主要是記錄器的外殼因塑性變形引起的層裂，又由于外鋼殼蓋與內(nèi)鋼筒直接剛性接觸，內(nèi)鋼筒會發(fā)生振動，從而造成電路板的損壞，導致測試失?。?］。

1.2 電路體失效機理分析

(1)元器件失效機理分析

電子元器件最常見失效模式有:管腿腐蝕或斷腿、芯片破碎或粘結(jié)不良、內(nèi)部有可動多余物等。造成上述這些失效模式的原因主要有以下幾方面:

1)芯體破碎引起的失效

在制造生產(chǎn)過程中，芯體由于工藝水平的限制容易出現(xiàn)劃痕、裂紋、損傷等缺陷，這些缺陷部位會使芯體所受的應(yīng)力超過自身的強度極限時出現(xiàn)不穩(wěn)定的應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系，導致芯體破碎［2］。

2)元器件疲勞失效

在高過載、高沖擊環(huán)境下，當彈載記錄器上電時，芯片溫度會瞬間升高，由于熱膨脹的作用，引線會變長;當記錄器斷電時，芯片溫度降低，由于冷縮的作用引線會收縮。在不斷的張弛的作用下，引線根部的應(yīng)力最大，導致引線根部因疲勞而出現(xiàn)失效［3］。

3)芯片管腳斷裂引起的失效

管腳斷裂失效機理主要是疲勞斷裂、過應(yīng)力斷裂和焊接不良斷裂。由于彈載記錄器工作于高溫、高沖擊環(huán)境下，芯片管腳的工作環(huán)境條件較惡劣，發(fā)生斷裂現(xiàn)象很多［4］。

(2)印制電路板失效機理分析

印制電路板的主要失效模式有開路失效和短路失效，這些失效會引起信號傳送終止、信號中斷或信號改變。

(3)導線失效機理分析

導線的主要失效模式首先是斷裂。斷裂位置多發(fā)生于導線的活動部分與不可活動部分的交界附近。其次是導線表面發(fā)黑造成接觸不良。此外，導線在器件記錄器裝配過程中不可避免的要彎曲，在高沖擊環(huán)境下，受到張應(yīng)力的部位，受到的張應(yīng)力最大，從而造成失效。還有導線本身的工藝缺陷，在使用過程中因承受的機械應(yīng)力過大導致斷裂，也可能在貯存時受腐蝕發(fā)生失效［4］。

芯體破碎、材料性能變化、焊接不良等重要度較大。因此，外殼、電路體是彈載記錄器的薄弱環(huán)節(jié)，在可靠性試驗方案制定過程中，應(yīng)主要針對上述薄弱環(huán)節(jié)進行試驗方案設(shè)計。

2 彈載記錄器的整體設(shè)計

本章主要對以往實際試驗時出現(xiàn)的各種問題，對彈載記錄器重新進行了抗高過載設(shè)計，從電路結(jié)構(gòu)、殼體抗高過載以及緩沖保護等方面進行設(shè)計。然后再對記錄器進行打彈試驗，以驗證可靠性設(shè)計。

2.1 彈載記錄器結(jié)構(gòu)、原理分析

由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，彈載記錄器必須具備體積小、功耗低的特點以及具有抗高過載的能力和測量高過載的能力。彈載記錄器由3個部分組成:外殼、存儲測試電路體和電池。彈載記錄器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈載記錄器總體圖

2.1.1 彈載記錄器電路模塊

彈載記錄器的電路模塊是整個設(shè)備的關(guān)鍵部分，通常由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、雙電源供電保護電路、FPGA電路等組成，如圖3所示。加速度計獲取的信號依次經(jīng)過信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，最后進入FPGA電路，而FPGA電路又是電路模塊的關(guān)鍵，它決定著電路的觸發(fā)電平、采樣頻率、延遲時間等參數(shù)［5］。

電路模塊的信號調(diào)理電路是把傳感器信號進行調(diào)理后送到A/D轉(zhuǎn)換電路;雙電源供電自保護電路是采用雙電池為整個系統(tǒng)供電;中心控制電路是對A/D變換后的數(shù)據(jù)進行編幀后送入存儲器中，并且可在讀數(shù)接口的控制下將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出。

同時，彈載記錄器遵循低功耗設(shè)計原則，信號調(diào)理模塊把采集到的信號調(diào)理至適合于A/D的采樣范圍內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換器的功能是在FPGA控制下，進行信號采集，并將其送到FPGA邏輯模塊中。

實際設(shè)計時，存儲電路通過引線獨立出來，如圖3左上，將存儲器電路置于用于保護的內(nèi)鋼筒內(nèi)。

圖3 記錄器硬件電路

2.1.2 彈載記錄器抗高過載結(jié)構(gòu)

圖4是彈載記錄器的外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 記錄器殼體平視圖

彈載記錄器的頂蓋配有穿線孔、指示燈孔和讀數(shù)孔，并且和外鋼殼通過螺紋剛性連接。電路體和電池通過灌封膠固定在外殼體內(nèi)部。內(nèi)鋼筒和外鋼殼之間的灌封膠能避免兩者之間的剛性接觸。記錄器電路模塊中，存儲器的保護是重中之重。因此存儲器被單獨通過引線灌封在內(nèi)鋼筒內(nèi)。撞靶的過程中內(nèi)鋼筒可產(chǎn)生小的位移，減小內(nèi)部存儲器的過載，起到緩沖作用。記錄器內(nèi)鋼筒蓋和內(nèi)鋼筒也是通過螺紋連接，且頂部中央有出線孔，進行了圓角處理。內(nèi)鋼筒內(nèi)部支撐壁頂部及底部與內(nèi)鋼筒的交界處都做了圓角處理，可以避免這些地方出現(xiàn)應(yīng)力集中，防止存儲器的損壞。毛氈作為緩沖材料吸收沖擊波的能量，對記錄器電路體進行一定的防護。

即使是在撞靶過程中記錄器殼體失效，外殼頂端讀數(shù)口失效，也能通過存儲器上的讀數(shù)口讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，獲取并分析彈體飛行參數(shù)。

圖5 記錄器殼體內(nèi)部圖與內(nèi)鋼筒

2.1.3 彈載記錄器緩沖保護技術(shù)

彈載記錄器在彈體發(fā)射以及侵徹目標過程中，承受著很高的過載沖擊力，另外還伴隨有振動、噪聲等，這些外在環(huán)境的影響會帶來很大的破壞。因此必須對記錄器進行灌封，以保證其穩(wěn)定性，具有很高的抗沖擊特性。從兩個方面對存儲測試電路進行緩沖保護:加固保護和隔離保護。加固保護是用灌封膠將電路板灌封在具有高強度和剛度的機械殼體內(nèi)固化成模塊。隔離保護是采用合適的緩沖材料，例如在電路板上涂硅膠等途徑，耗散沖擊強度，以減小傳遞到設(shè)備上的應(yīng)力。

3 試驗數(shù)據(jù)

靶場試驗是驗證彈載記錄器抗高過載性能的有效途徑。本次試驗以130 mm加農(nóng)炮在約200 m距離上侵徹12.5 mm鋼靶。通過回收記錄器數(shù)據(jù)驗證記錄器的抗高過載性能。

圖6 靶場試驗位置圖

回收并檢查記錄器，外殼已經(jīng)嚴重變形，部分殼體已經(jīng)斷裂，但是底部基本完好，如圖7所示，內(nèi)部鋼筒完好，讀數(shù)口完好，可以實現(xiàn)讀數(shù)功能。

圖7 記錄器回收以及內(nèi)鋼筒

讀取并處理鋼筒內(nèi)部存儲芯片上的數(shù)據(jù)，可以獲取彈體飛行過程中的軸向加速度曲線，其中彈體在膛內(nèi)的加速度最大值可以達到6 000 g，而彈體在侵徹過程中的加速度則可以高達1.7×104g。

圖8 記錄器回收數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

圖9 濾波處理后的加速度

本次設(shè)計的彈載記錄器是針對原有的記錄器出現(xiàn)的問題加以優(yōu)化。經(jīng)過實際的靶場試驗，彈載記錄器能夠承受高達1.7×104g甚至更高的加速度沖擊，能夠很好的完成記錄彈體飛行數(shù)據(jù)的任務(wù)。

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

［2］吳虹，李延夫.硅壓力傳感器可靠性強化試驗研究［J］.微納電子技術(shù)，2007(7/8):288－290.

［3］任鴻秋.存儲測試系統(tǒng)的可靠性分析［J］.火力與指揮控制，2008，33(4):146－148.

［4］張棟，鐘培道，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［5］趙小珍.電子記錄系統(tǒng)的抗高過載設(shè)計及應(yīng)用［D］.太原:中北大學，2008.