彈載記錄儀存儲(chǔ)模塊防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王 艷，郭 靖，張會(huì)新，彭晴晴

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051；2.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.北方自動(dòng)控制研究所, 太原 030006)

為了驗(yàn)證導(dǎo)彈性能參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，改進(jìn)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中可能存在的問(wèn)題，保證導(dǎo)彈的安全性與打擊目標(biāo)的精確度，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)。彈載記錄儀可用于記錄導(dǎo)彈試驗(yàn)期間導(dǎo)彈全彈道過(guò)程的多種參數(shù)[1]，比如發(fā)射壓力、飛行速度、飛行姿態(tài)、加速度等。試驗(yàn)結(jié)束后，彈載記錄儀及時(shí)回收后，記錄部分被回收，上位機(jī)讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，判讀導(dǎo)彈在試驗(yàn)過(guò)程中的多參數(shù)數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)。攻擊高強(qiáng)度工事時(shí)，彈體產(chǎn)生很大的過(guò)載沖擊，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)芯片失效，這決定了彈載記錄儀在抗高過(guò)載防護(hù)結(jié)構(gòu)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性[2]。就彈體侵徹目標(biāo)來(lái)說(shuō)，彈載記錄儀能否承受導(dǎo)彈接觸并完成打擊目標(biāo)過(guò)程中的高沖擊和強(qiáng)振動(dòng)，直接決定了測(cè)試是否成功。因此，優(yōu)化彈載記錄儀在高過(guò)載沖擊下的緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于研制導(dǎo)彈等新型武器具有極其重要的意義[3]。

1 彈載記錄儀緩沖保護(hù)理論分析

1.1 存儲(chǔ)芯片結(jié)構(gòu)及失效模式

芯片在高過(guò)載沖擊下，外殼環(huán)氧模塑料會(huì)產(chǎn)生變形量，由于變形會(huì)在芯片內(nèi)部逐漸衰減，芯片內(nèi)傳遞時(shí)變形量會(huì)逐漸減小，當(dāng)傳遞過(guò)程中某變形量大于芯片的彈性形變閾值時(shí)，芯片將會(huì)失效。導(dǎo)致芯片失效的模式最主要的有3種，分別為管腳脫落、芯片碎裂、引線斷裂。因此對(duì)記錄器的保護(hù)最主要的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片的保護(hù)。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 應(yīng)力波破壞因素

記錄儀放置于彈體內(nèi)部，彈體在侵徹目標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生很高的應(yīng)力，應(yīng)力在彈體內(nèi)以應(yīng)力波的形式傳播[4]。應(yīng)力波具有傳播衰減、變截面反射與透射的特性，應(yīng)力波從外殼體傳遞到內(nèi)部存儲(chǔ)芯片過(guò)程中，先后經(jīng)過(guò)三層鋼殼體及環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料，剛性殼體的波阻抗遠(yuǎn)大于常用灌封材料的波阻抗[5]，能夠傳遞到內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波較小。環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料有吸能的作用，粘彈性較強(qiáng)，可減弱和隔離外界沖擊。但在高沖擊強(qiáng)度條件下，灌封材料會(huì)流體化，致使電子設(shè)備不能完全包裹在灌封材料內(nèi)部，致使存儲(chǔ)器件損毀。

為解決這一問(wèn)題，提出在殼體內(nèi)部再加入一層剛性保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，利用存儲(chǔ)保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定存儲(chǔ)模塊，有效隔絕應(yīng)力波，對(duì)存儲(chǔ)芯片進(jìn)行保護(hù)。

1.3 慣性力破壞因素

彈載記錄儀經(jīng)可靠設(shè)計(jì)后仍存在失效情況，且大部分發(fā)生在二次沖擊力發(fā)生時(shí)。這是因?yàn)樵诟邲_擊力的作用下，每個(gè)結(jié)構(gòu)的慣性力是相同的，但結(jié)構(gòu)高度不同，結(jié)構(gòu)間的作用力會(huì)隨著高度增加而增加[6]，因而殼體底部的存儲(chǔ)模塊最易失效。彈載記錄儀由于慣性力而損壞的原因主要有兩種：

1)彈體擊打目標(biāo)時(shí)的速度過(guò)大，侵徹產(chǎn)生的加速度的峰值過(guò)高；

2)侵徹發(fā)生后，高加速度狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間保持，致使能量過(guò)大。

為解決這一問(wèn)題，在存儲(chǔ)保護(hù)裝置底部設(shè)計(jì)緩沖材料結(jié)構(gòu)，可有效減緩存儲(chǔ)模塊在撞擊發(fā)生后產(chǎn)生多個(gè)高峰值脈沖，降低加速度，延長(zhǎng)能量釋放過(guò)程。

2 緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 整體緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

通過(guò)分析存儲(chǔ)芯片結(jié)構(gòu)及損毀原因，結(jié)合彈緩沖保護(hù)理論，裝置采取機(jī)械殼體為三層的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部外圍電路及結(jié)構(gòu)間隙采用環(huán)氧樹(shù)脂灌封的設(shè)計(jì)理念。選用聲阻抗差別較大的多層材料設(shè)計(jì)成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，主要包含4層，最外層的硬結(jié)構(gòu)層、中間緩沖層和存儲(chǔ)防護(hù)層，以及各層間的軟結(jié)構(gòu)層。從結(jié)構(gòu)的總體空間布局相容性出發(fā)，防護(hù)結(jié)構(gòu)最外層設(shè)計(jì)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌圓柱形殼體；中間緩沖層結(jié)構(gòu)與最外層結(jié)構(gòu)相同，存儲(chǔ)設(shè)計(jì)外圍電路設(shè)計(jì)放置于緩沖層殼體之上，最外層結(jié)構(gòu)之內(nèi)；存儲(chǔ)防護(hù)層設(shè)計(jì)為橢圓形殼體，存儲(chǔ)芯片及電路放置于橢圓形殼體內(nèi)腔。最外層與中間層間利用環(huán)氧樹(shù)脂作為緩沖材料；中間緩沖層與存儲(chǔ)防護(hù)層間放置加入泡沫鋁作為底部墊底層，間隙灌封環(huán)氧樹(shù)脂；存儲(chǔ)防護(hù)層內(nèi)部灌封環(huán)氧樹(shù)脂。未優(yōu)化整體防護(hù)裝置為圓柱形結(jié)構(gòu)，裝置示意圖如圖2。

圖2 圓柱形結(jié)構(gòu)整體防護(hù)裝置示意圖

導(dǎo)彈落地撞擊過(guò)程中絕大部分的沖擊都由最外層殼體承受，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度高和斷裂韌性較好的材料。35CrMnSiA熱處理后具有較高的硬度，滿足以上條件。選用環(huán)氧樹(shù)脂作為灌封材料，因其很好地緩沖吸能效果，且環(huán)氧樹(shù)脂固化成型后硬度高、絕緣、耐腐蝕、耐老化、耐冷熱等沖擊等特性[7]。

2.2 存儲(chǔ)防護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

存儲(chǔ)芯片是整個(gè)記錄儀的核心部分，是防護(hù)結(jié)構(gòu)主要保護(hù)部分[8]。在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將原存儲(chǔ)防護(hù)結(jié)構(gòu)的圓柱形優(yōu)化設(shè)計(jì)為橢圓形殼體，存儲(chǔ)芯片及電路放置于橢圓形殼體內(nèi)腔，利用環(huán)氧樹(shù)脂灌封。設(shè)計(jì)了兩種存儲(chǔ)防護(hù)結(jié)構(gòu)，區(qū)別其內(nèi)腔放置存儲(chǔ)電路部分，一種防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部為開(kāi)槽，即橢球體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出適合核心存儲(chǔ)器形狀的腔體的存儲(chǔ)模塊防護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示；另一種防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部為挖空設(shè)計(jì)，即橢球體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出圓柱形腔體，結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

圖3 橢圓形存儲(chǔ)防護(hù)層結(jié)構(gòu)示意圖

3 建模仿真分析

3.1 有限元模型建模

Ansys能夠有效地模擬高速碰撞、侵徹等非線性顯示動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[9]，為研究該防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，用Ansys/Workbench 17.0模擬實(shí)際情況，建立如下模型參數(shù)：模擬記錄儀裝置以850 m/s撞擊夯土靶體；材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料主要參數(shù)

使用SolidWorks完成對(duì)幾何模型的建立，設(shè)計(jì)出不同形式的抗沖擊保護(hù)裝置，保護(hù)裝置均為復(fù)合模型。使用Hypermesh有限元前處理軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，大部分結(jié)構(gòu)使用高精度六面體單元離散，部分結(jié)構(gòu)使用四面體單元離散，并對(duì)計(jì)算進(jìn)行了初步的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，保證了計(jì)算的精度。

3.2 仿真結(jié)果

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)組合件緩沖效果，設(shè)計(jì)4種存儲(chǔ)器防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別為：

1)未裝入彈體的記錄儀部分直接撞擊靶體。

2)將防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓柱體，在圓柱體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出圓柱形腔體體，將整體結(jié)構(gòu)裝入彈體。

3)將防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為橢球體，在橢球體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出圓柱形腔體，將整體結(jié)構(gòu)裝入彈體；并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料。

4)在橢球體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出適合核心存儲(chǔ)器形狀的腔體，及開(kāi)槽型內(nèi)腔，將整體結(jié)構(gòu)裝入彈體；并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料。

對(duì)4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，首先使得記錄器結(jié)構(gòu)在未裝載彈體及以上4種情況下以850 m/s撞擊夯土靶體，選取存儲(chǔ)芯片上的4個(gè)點(diǎn)分別測(cè)得其應(yīng)力及加速度。測(cè)點(diǎn)分布、如圖4所示。仿真計(jì)算得到以上4種情況下的應(yīng)力曲線和加速度曲線如圖5所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

通過(guò)分析各情況下的應(yīng)力曲線和加速度曲線，可知防護(hù)裝置不同，則子彈撞擊夯土靶體產(chǎn)生的沖擊力傳遞到內(nèi)部存儲(chǔ)芯片上的時(shí)間不同，最先受力端1號(hào)和2號(hào)點(diǎn)位被擠壓，產(chǎn)生應(yīng)力。橢球形+圓柱內(nèi)腔相比于橢球+開(kāi)槽，有多個(gè)高峰值脈沖；加入墊片，脈沖峰值減少；這種脈沖對(duì)于電路是極為有害的[10]。通過(guò)仿真計(jì)算可得以上4種情況下的應(yīng)力曲線和加速度曲線計(jì)算結(jié)果表2所示。

表2 應(yīng)力曲線和加速度曲線計(jì)算結(jié)果

分析可知，不同防護(hù)裝置對(duì)存儲(chǔ)芯片保護(hù)均有效果。橢球形結(jié)構(gòu)相對(duì)于圓柱形結(jié)構(gòu)更能有效保護(hù)內(nèi)部存儲(chǔ)器；腔體內(nèi)部為開(kāi)槽狀相對(duì)于圓柱內(nèi)腔防護(hù)效果更強(qiáng)；加入墊片能夠有效保護(hù)存儲(chǔ)器后端。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)組合件緩沖效果后，緩沖前后應(yīng)力和加速度曲線略有不同，通過(guò)對(duì)以上情況分析可知，橢球開(kāi)槽挖空加墊片的防護(hù)型結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。利用Ansys/Workbench17.0進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，其模型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格劃分如圖6所示。其應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線和加速度變化曲線

圖6 模型&網(wǎng)格劃分

圖7 應(yīng)力云圖

當(dāng)子彈撞擊夯土靶體速度達(dá)到850 m/s時(shí)，該結(jié)構(gòu)前端最大應(yīng)力值為2.8 MPa，后端最大應(yīng)力值為1.4 MPa，最大加速度峰值為100.8g。該緩沖結(jié)構(gòu)有較大緩沖作用，脈寬達(dá)到200 μs，加速度較為穩(wěn)定，減少了多個(gè)脈沖峰值對(duì)于電路影響。可有效減小炮彈撞擊對(duì)于存儲(chǔ)模塊的破壞。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型多層殼體緩沖隔離的防護(hù)結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真工具，將優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，即橢球挖空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)，即橢球開(kāi)槽，結(jié)構(gòu)仿真對(duì)比，最后選擇在橢球體內(nèi)腔設(shè)計(jì)挖出適合核心存儲(chǔ)器形狀的開(kāi)槽腔體，并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料的結(jié)構(gòu)。仿真試驗(yàn)環(huán)境建立相關(guān)有限元模型，由計(jì)算結(jié)果看出：存儲(chǔ)防護(hù)模塊能夠有效保護(hù)內(nèi)部存儲(chǔ)器件。此防護(hù)型結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于彈體內(nèi)測(cè)的參數(shù)采集。