Anti-Impact Design for Missile Accelerometer Recorder*

JIN Shuyun，JIN Hong*，ZHANG Yanbing，LI Yuewu，WANG Huan

(1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China; 3.Shanghai Maritime University Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering Ministry of Communications，Shanghai 201306，China)

Anti-Impact Design for Missile Accelerometer Recorder*

JIN Shuyun1，2，JIN Hong1，2*，ZHANG Yanbing1，2，LI Yuewu3，WANG Huan1，2

(1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Danamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China; 3.Shanghai Maritime University Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering Ministry of Communications，Shanghai 201306，China)

Two buffer protection structure of the missile-borne is put forward for missile parameters test failure due to deformation or damage in penetration test environment by high impact，Level 1 buffer is high mechanical strength steel protective shell and Level 2 is aluminum foam nested within the machined shell.It proves that under the environment of 100 000 gnhigh impact the recorder can store and read back the test data reliably after penetrating 3 layers concrete target.

instrumentation engineering;anti-high impact;penetration;acceleration data recorder;two buffer protection

隨著科學技術的進步和防御體系的發展，越來越多重要的軍事目標被掩護在地底下，并且通過多層介質進行保護，為了摧毀這些掩體，需要用到侵徹彈，而侵徹彈記錄儀的安全性和可靠性將直接影響侵徹彈能否在正確時間和正確位置引爆［1－3］。侵徹彈在侵徹介質時，會受到巨大的沖擊力，產生巨大的沖擊波，這些沖擊波具有初值高、作用時間短的特點。沖擊波在侵徹彈中傳播時會對記錄儀造成一定的破壞性，可能造成誤引爆。因此，須對記錄儀模塊采取一定的防護措施［4－6］。

為了對記錄儀進行保護，使記錄儀滿足彈載試驗要求。本文設計兩級緩沖保護結構，選用高強度鋼機械殼體作為一級防護，泡沫鋁層作為二級緩沖，采用LS-DYNA對緩沖材料的緩沖性能進行仿真，并設計彈體侵徹3層混凝土層打靶試驗。

1 防護設計

防護設計主要是利用記錄儀機械外殼的高強度來保護記錄模塊，使其與彈體外部或內部其他零件隔離開，使其在只受到自身慣性力作用時不發生塑性形變。

1.1 殼體設計

彈載加速度記錄儀的防護設計可分為記錄模塊殼體設計和記錄儀殼體設計兩個層面。記錄模塊的殼體設計要對殼體強度和緩沖器件的緩沖性能進行綜合考慮，以減小質量為前提，盡可能提高材料的比強度，同時采用抗壓強度較好的加隔離加強筋的結構。因為材料相同，殼體的強度越大則質量越大，對緩沖器件的要求相應提高。彈載記錄儀機械殼體的設計目的是在多次強沖擊過程中保護系統內部的記錄模塊、緩沖器件和傳感器不被彈體內部的其他零部件擠壓，且在彈體損壞的情況下，有效防止記錄模塊與彈體的碎片或侵徹目標的剛性撞擊。設計殼體結構如圖1所示。其中，記錄模塊的殼體用于封裝測試電路，外殼體用于安裝記錄模塊、緩沖器件和傳感器［7－8］。

圖1 記錄儀殼體結構示意圖

考慮到系統外殼體與彈體內部的裝配，機械外殼通常采用優質合金鋼制作的圓柱形結構。為了防止內外殼體之間的轉動擠壓，電路連線記錄模塊設計成長方形結構。

1.2 走線魯棒性設計

魯棒性是指系統在其特性或參數發生攝動時維持某些性能的特性，是系統在異常和危險情況下生存的關鍵［9］。導線的魯棒性是指在高沖擊環境下，測試系統連接導線的生存能力。

高沖擊測試系統中，在高沖擊環境下，考慮導線的受力狀態和失效模式，設計側端“之”形走線方式，如圖2所示，同時在導線的周圍采用石蠟灌封，保證導線在侵徹過程中與殼體沒有相對運動，且有利于對電路模塊的緩沖設計。

圖2 “之”形走線示意圖

2 緩沖設計

在記錄模塊設計過程中，元件被強化固封在高強度的殼體內，一定程度上提高了抗過載性能。實際的多層侵徹實驗中，因過高的應力損壞導致記錄模塊丟失數據時有發生，表明系統的存活性比較脆弱。為了保證可靠測試，在侵徹過程中，降低記錄模塊所承受的過載值非常重要。

被動緩沖隔離可以有效降低記錄模塊所承受的過載值，是對記錄模塊進行保護的有效技術途徑之一。被動緩沖隔離采用適當的緩沖材料和緩沖結構，在侵徹過程中，對高過載進行濾波隔離;在高沖擊過程中，吸收存儲產生的能量。但由于彈載測試系統內部空間有限，很大程度上限制了緩沖器結構的設計，因此緩沖材料的選擇極為重要。

彈性模量小、伸長率大、彈性高、強度高是橡膠的主要特征。這使得橡膠被廣泛用作隔離振動和吸收沖擊的緩沖材料。泡沫鋁是一種可通過改變密度調節彈性模量且各向同性的金屬材料，具有較高的抗彎剛度和沖擊波吸收能力［10］。尼龍、環氧樹脂因其具有較大的彈性模量，部分場合也選擇它們作為緩沖性能的材料。本文利用LS-DYNA對幾種材料的緩沖性能進行數值模擬，以選出最佳的緩沖材料。

2.1 泡沫鋁等緩沖材料仿真

為了更直觀的模擬材料的緩沖性能，在沖擊模塊施加一個峰值為100000 gn、脈寬2 μs的加速度。加速度施加在沖擊模塊上，并作用在緩沖模塊上。建模過程中沖擊模塊、緩沖模塊、記錄模塊之間的接觸都采用面面自動接觸。實驗仿真模型如圖3所示。

圖3 實驗仿真模型

2.1.1 材料模型和仿真參數

模擬效果的好壞，很大程度上取決于所選的材料模型和仿真參數。文中緩沖模塊和記錄模塊仿真時所用到的半徑、厚度均與所設計傳感器尺寸相同，沖擊模塊只是力的載體，尺寸大小對緩沖效果并無影響，在仿真時選用的尺寸與記錄模塊相同。在查閱文獻的基礎上確定材料模型及相關參數如表1所示。

表1 材料模型及相關參數

2.1.2 仿真分析

以4種不同的材料作為緩沖模塊，在仿真實驗過程中，除了材料模型和參數不同外，其他條件均相同，得到加速度曲線如圖4所示。

圖4 加速度曲線

其中，曲線A為沖擊部分的加速度曲線，加載峰值為100 000 gn，LS-DYNA取的為質心加速度曲線，峰值降為50 000 gn，B、C、D、E分別為橡膠、泡沫鋁、尼龍、環氧樹脂作為緩沖材料時的加速度曲線，從曲線可以看出，4種材料均達到了緩沖的目的，達到峰值的時間變慢、峰值變小、脈寬變寬。分析4種材料，其中橡膠、尼龍、環氧聚酯這些高分子材料緩沖效果幾乎一樣，泡沫鋁緩沖效果明顯較其他3種材料更好。因此選用泡沫鋁做緩沖材料。

2.2 緩沖裝置設計

金屬圓柱殼由于其以可控的方式吸收能量、破壞模式穩定、吸能效率高是應用廣泛的緩沖裝置之一。但金屬圓柱殼和泡沫鋁緩沖共同的缺點是理想吸能效率并不是太高且沖擊力不穩定，不利多層侵徹緩沖裝置的設計。近年來，許多研究者將薄壁管和泡沫材料相結合，獲得了很好的緩沖效果，吸能能力得到了很大的提高。將泡沫鋁填充在薄壁管塑性變型緩沖器中可以構成很好的緩沖吸能裝置，因此，對這種新型組合緩沖裝置吸能緩沖特性的研究有非常重要的意義。在此基礎上，設計了薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置如圖5所示。

圖5 緩沖試件實物圖

3 試驗驗證

彈載記錄儀整體示意圖如圖6所示。

圖6 彈載加速度記錄儀整體示意圖

設計試驗用滑膛炮以600 m/s的出膛速度侵徹3層混凝土靶板，靶板厚0.15 m，靶間距1.2 m。試驗結束后，從彈體中取出記錄儀模塊，得到實測加速度曲線如圖7所示。

圖7 實測加速度曲線

分析試驗數據，彈體侵徹3層混凝土層，加速度曲線表現為3個負向峰值。彈體侵徹一層混凝土過程分為兩個階段，第1階段為初始撞擊階段，表現在曲線上就是一個高幅值的負向脈沖，隨著彈體進一步侵徹，進入第2階段，彈頭穿過混凝土靶板，彈體在混凝土中穿出，這一階段伴隨著小的震動，也會出現較高的震蕩，表現在曲線上為小的基線抖動和小幅震蕩。當彈尾穿出，彈體基本平穩運動，表現在曲線上為平滑的基線。

4 結論

本文提出了彈載加速度數據記錄儀兩級保護結構，一級為高強度鋼的機械外殼防護，二級為薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置，有效提高了彈載加速度數據記錄儀的抗高沖擊能力。通過彈體侵徹3層混凝土靶板實測試驗，彈載加速度數據記錄儀能夠可靠的存儲并回讀實驗數據，證明了在100 000 gn

高沖擊環境下彈載記錄儀的工作的可靠性。

［1］Booker P M，Cargile J D，Kistler B L.Investigation on the Response

of Segmented Concrete Targets to Projectile Impacts［J］.Interna-tional Journal of Impact Engineering，2009，36(7):926－939.

［2］范錦彪，王燕，徐鵬，等.高g值加速度傳感器的窄脈沖校準理論與方法［J］.傳感技術學報，2012，25(9):1242－1245.

［3］徐鵬，祖靜，范錦彪.高g值侵徹加速度測試及其相關技術研究進展［J］.兵工學報，2011，32(6):739－745.

［4］范錦彪，祖靜，林祖森，等.高g值加速度傳感器激光絕對法沖擊校準技術研究［J］.振動與沖擊，2012，31(11):149－153.

［5］聞利群，魯建霞，張同來，等.泡沫鋁和橡膠對測試儀器抗沖擊波緩沖能力的仿真研究［J］.彈箭與制導學報，2010，30(3): 223－225，232.

［6］王志.小型專用記錄系統的設計與實現［D］.太原:中北大學，2010.

［7］趙小龍，馬鐵華，范錦彪.高g值加速度計在高沖擊下的失效特性的研究［J］.傳感技術學報，2012，25(12):1668－1672.

［8］馬佰振.多層侵徹過載存儲測試技術研究［D］.太原:中北大學，2012.

［9］董力科.多層侵徹過載信號獲取技術測研究［D］.太原:中北大學，2013.

［10］王永剛，胡時勝，王禮立，等.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23 (6):516－522.

［11］Meyers P A.Dynamic Behavior of Materials［Z］.Meyers，Marc André John Wiley＆Sons，1994.

［12］王代華，劉殿書，杜玉蘭，等.含泡沫吸能層防護結構爆炸能量分布的數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26(6):562－567.

靳書云(1989－)，女，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向為動態測試與智能儀器、虛擬儀器，jinshuyunfd@ 163.com;

靳鴻(1974－)，女，博士，教授，碩士生導師。1997年7月畢業于華北工學院測試技術系，獲工學學士學位;2000年9月至2003年4月，在華北工學院電子工程系讀碩士研究生，并獲得碩士學位;2011年11月，獲中北大學測試計量技術與儀器專業博士學位。1997年7月留校任教，2008年7月被聘為副教授。2013年聘為教授。研究方向:惡劣環境的動態參數測試，微型彈載測試儀和智能儀器。

彈載加速度數據記錄儀抗高沖擊設計*

靳書云1，2，靳鴻1，2*，張艷兵1，2，李躍武3，王歡1，2
(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051; 3.上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室，上海201306)

針對彈載加速度數據記錄儀在侵徹環境下受到高沖擊力易變形或損壞導致測試失敗的問題，提出彈載加速度數據記錄儀兩級緩沖保護結構，一級為高強度鋼的機械外殼防護，二級為薄壁金屬管填充泡沫鋁的緩沖裝置。通過實體彈侵徹3層混凝土試驗，彈載加速度記錄儀能夠可靠存儲并回讀實驗數據，證明了在100 000 gn高沖擊環境下記錄儀的工作可靠性。關鍵詞:儀器儀表工程;抗高沖擊;侵徹;加速度數據記錄儀;兩級緩沖保護

TP212.1

A

1004－1699(2014)04－0463－04

2014－02－27修改日期:2014－04－07

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.008

項目來源:國家自然科學基金項目(51275488);某重點實驗室基金項目;中北大學第十屆研究生科技基金項目(20131036)