存儲測試模塊抗高沖擊結構設計研究*

孟令軍，趙盼盼（　中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原　03005；2　中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原　03005）

存儲測試模塊抗高沖擊結構設計研究*

孟令軍1，2，趙盼盼1
（1中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051）

通過分析高過載條件下存儲測試模塊的侵徹破壞機理及其緩沖防護原理，并對撞擊過程進行動態模擬，分析電路板所受最大應力及衰減情況，從而得出關于存儲模塊的微型化設計，根據牛頓第二定理建立了存儲模塊的波動方程，研究了應力波在變截面體的傳播規律，得出應力波的傳遞特性。與傳統的存儲結構進行分析比較，并進行炮擊試驗，得到最大加速度值約40 000g，傳統結構最大加速度值約60 000g，該結構具有更高的緩沖性能與抗沖擊性。

存儲測試模塊；緩沖防護；應力波；波動方程

0　引言

導彈在發射以及侵徹過程中，承受著瞬時、高能、強沖擊，侵徹過程產生的應力波幅值最大可達數萬g。當彈體與硬目標碰撞時，會引起電路板破壞甚至變形，致使數據不能正常回讀［1］。為了保證存儲設備能夠正常工作并且成功的回收數據，存儲測試裝置不但要求能夠長時間采集并記錄實驗數據，而且必須滿足高過載條件下的抗高沖擊要求［2］。

彈體侵徹目標靶的過程等效于給彈體施加了一個沖擊，由于加載速率很快，在彈體中將產生彈塑性應力波的傳播［3］，在著靶的瞬間，彈體及測試裝置經受了猛烈的振動和沖擊過程，從而引起彈體內各點的應力、位移、速度、加速度發生快速變化。分析侵徹過程中的應力變化曲線，驗證存儲結構的緩沖性能。

1　結構設計

防護結構設計的關鍵就是為了降低數據存儲模塊的動能并衰減碰撞應力波［4-5］。存儲模塊保護裝置見圖1所示。圖1（a）為存儲模塊保護裝置原理示意圖，圖1（b）為灌封后的存儲模塊保護裝置。

結構采取球形底端、柱形殼體設計。根據變截面應力波傳遞理論，將殼體底端設計成球形底端，應力波從小截面向大截面傳遞時，存在應力波衰減。

2　緩沖機理

2.1應力波傳遞理論

應力波在變截面體中傳播時，應力波的強度會隨著截面面積的增大而衰減［6］。根據一維應力平面波理論，當強間斷彈性波從小端面向大端面傳播時，截面積間斷面之間將發生應力波的反射和透射。間斷截面兩側總作用力相等、速度連續，如方程（1）所示：

式中：σi、σT、σR分別為入射波、透射波及反射波的應力幅值；Vi、VT、VR分別為入射波、透射波及反射波的質點速度幅值；A1、A2為間斷面兩側截面積；c0、ρ0為彈性縱波波速和殼體質量密度；［σ］、［V］為波后波前應力差和質點速度差。由式（2）得透射波：

所以透射系數為：

當應力波由小端面向大端面傳播時，T＜1，透射應力波幅值小于入射應力波幅值，即應力波存在衰減，存儲結構的球形底端起到了緩沖作用。

圖1　存儲測試裝置

2.2建立波動方程

建立坐標系，原點o位于球形底端，ox為動坐標系，見圖2所示，沿底端豎直方向，沿ox方向取微元體dx，微段的運動方程如式（4）所示：

式中：e是應力；A為 x處的橫截面面積，其中A= 2chxtanT，因此式（4）又可表示為：

在高沖擊條件下，侵徹瞬間應力大于屈服極限，因此以下分析只考慮塑性階段。假定應力與應變呈線性函數且塑性階段為線性硬化，即e=E1x，其中E1為材料常數，C2=E1/d，f（t）=-mp¨z。得波動方程：

采用有限差分法求得位移的數值解后，進一步求得應力的一系列數值解。畫出應力的分布曲線，分析應力波在存儲模塊中的傳播特性，可以看出應力波在傳遞的過程中逐步衰減。

圖3　應力波衰減曲線

3　模型動態模擬

在高過載、強沖擊條件下，存儲結構的大小、形狀、質量及其密度都將影響測試系統是否能成功回收數據［2］。假如某一零件的質量為1 kg，則在105g的加速度作用下，所受到的與加速度方向相反慣性力為：

質量由密度和體積決定，可見在相同材料確定的情況下，體積越大，系統的強度越弱，所以對防護結構采取微型化設計。

對該設計結構進行動態模型分析，取中間電路板上幾點，分析其所受應力，應力曲線如圖4（a）所示，與平底式存儲模型進行對比分析，取相同各點，分析結果如圖4（b）所示。

在實際的彈體結構中，存儲器與外殼之間加有球形緩沖墊等，構成面接觸，而非點接觸，根據這一實際情況，進行動態模擬分析，分析結果如圖4（c）所示。

以上三種結構模型電路板所受最大應力均在安全范圍內，對比電路板所受最大應力及衰減情況，得出球形底端存儲結構的緩沖效果。

圖4　電路板處應力曲線圖

4　炮擊試驗

試驗條件：加農炮在約100 m距離上侵徹2.5 m ×2.5 m×1.5 m的鋼筋混凝土靶。侵徹測試中，炮彈穿過鋼筋混凝土靶板，由天幕靶測速。1#炮彈出炮口的速度為 742.4 m/s，2#炮彈出炮口的速度為756.5 m/s，分別對應球形底端存儲器和平底式存儲器。在實際彈體裝配中，兩個存儲器的其他條件（如防護外殼，灌膠情況，電路板芯片布局情況等）均相同。

試驗結果：彈體完好，存儲器讀數正常，回讀傳感器數據并進行分析，分析結果見圖5所示。

圖5（a）、圖5（b）均為濾波后傳感器輸出信號，分析結果如表1所示。

表1　信號分析結果

圖5　加速度信號曲線

5　結論

在高過載條件下，能夠獲得準確、可靠的測試數據是當前存儲測試模塊研究的重點，而成功回收數據、緩沖防護是關鍵，根據變截面應力波的傳遞理論，設計一種新的存儲測試結構，旨在從結構設計本身加強其緩沖防護能力。通過LS-DYNA對其模型進行動態仿真分析，分析其應力傳播特性，最終進行炮擊試驗，回收數據，得到理想效果。

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Anti-impact Design for Storage Test Module

MENG Lingjun1，2，ZHAO Panpan1
（1Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；2National Key Laboratory of Electronic Measurement Techndogy，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on analysis on penetration failure mechanism and buffering protection principles of storage test module under high-overload and dynamic simulation on impact，the maximum stress which circuit board suffered from and its attenuation were analyzed，accurate data and some conclusions about structure miniaturization were got.According to Newton’s second theorem，the wave equation of the module was established and the stress wave propagation in variable sections was acquired.Compared with traditional structures by means of shelling，the maximum acceleration of the proposed is about 40 000 while that of the traditional is about 60 000，from those experimental results，it can be concluded that the proposed structure in this paper has higher cushioning properties and impact resistance.

storage test module；buffering protection；stress wave；wave equation

TP202

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.035

2015-01-28

國家自然科學基金（50975266）；國家自然基金重大研究計劃（91123036）資助

孟令軍（1969-），男，山東青島人，副教授，碩士研究生導師，研究方向：集成測量系統及儀器、微納儀器及測試技術。