基于實(shí)測(cè)載荷的彈載測(cè)試儀有限元仿真

，，，

(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，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3. 軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000)

0 引言

彈載測(cè)試儀完成對(duì)彈體發(fā)射過(guò)程中彈丸自身動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試[1]。測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀與彈體將承受相當(dāng)高的加速度沖擊載荷，該值一般超過(guò)15 000g[2]，這經(jīng)常導(dǎo)致測(cè)試儀的關(guān)鍵部件(關(guān)鍵芯片、電路板、裝置殼體等)因高沖擊而發(fā)生失效，但由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不可重復(fù)，因此發(fā)射過(guò)程中測(cè)試儀內(nèi)部應(yīng)力變化無(wú)法確定。目前針對(duì)高沖擊載荷作用下彈載測(cè)試儀內(nèi)部應(yīng)力分布問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)其仿真計(jì)算時(shí)往往通過(guò)施加模擬簡(jiǎn)化壓力載荷來(lái)研究[3-5]，這種方式忽略了發(fā)射過(guò)程中的各階段振蕩，并不能真實(shí)反映火炮發(fā)射時(shí)彈載測(cè)試儀真實(shí)受力情況。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了利用彈載測(cè)試儀實(shí)測(cè)加速度載荷與LS_DYNA軟件結(jié)合仿真分析的方法來(lái)分析高沖擊載荷作用下彈載測(cè)試儀內(nèi)部應(yīng)力分布。

1 簡(jiǎn)化模擬發(fā)射載荷

火炮發(fā)射過(guò)程中，彈丸在火炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)及出炮口時(shí)會(huì)承受上萬(wàn)個(gè)重力加速度的沖擊，此過(guò)程中沖擊應(yīng)力波可能會(huì)使彈載測(cè)試儀受壓變形，測(cè)試儀內(nèi)灌封后的電路將會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂[6]。但火炮發(fā)射過(guò)程中彈載測(cè)試儀內(nèi)部瞬態(tài)應(yīng)力測(cè)試難度較大，因此往往采用力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析計(jì)算。LS-DYNA是目前公認(rèn)的優(yōu)秀的顯性動(dòng)力分析有限元軟件，該軟件特別適合于求解結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性高速碰撞、爆炸等動(dòng)態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[7]。

彈體在膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程中，主要承受軸向沖擊載荷，對(duì)于此類(lèi)高沖擊狀態(tài)下瞬態(tài)仿真計(jì)算，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，通常采用簡(jiǎn)化輸入載荷的方式計(jì)算，即將火炮發(fā)射受力過(guò)程簡(jiǎn)化為對(duì)模型施加半鋸齒膛壓壓力載荷[8]或者半正弦加速度脈沖載荷[4]，如圖1所示。

2 實(shí)測(cè)載荷仿真分析過(guò)程

2.1 彈丸實(shí)測(cè)加速度曲線(xiàn)

彈丸在發(fā)射過(guò)程中實(shí)測(cè)彈軸加速度曲線(xiàn)如圖2所示，該曲線(xiàn)可分為四個(gè)階段，分別為起始段(0～5 ms)、高頻振蕩段(5～13 ms)、低頻振蕩段(13～16 ms)和炮口段(16～20 ms)。其中在炮口段17 ms左右曲線(xiàn)出現(xiàn)劇烈震蕩，這是由于彈體飛出炮口，彈體底部受到負(fù)階躍力，從而造成彈體劇烈抖動(dòng)，此階段彈載測(cè)試儀的受力不可忽略。

2.2 仿真分析過(guò)程

對(duì)比圖1、圖2可知，以往仿真計(jì)算時(shí)施加的簡(jiǎn)化半正弦加速度載荷從能量上與實(shí)際發(fā)射過(guò)程中實(shí)測(cè)加速度載荷存在差異，這種方式忽略了發(fā)射過(guò)程中的各階段振蕩，并不能真實(shí)反映火炮發(fā)射時(shí)彈載測(cè)試儀真實(shí)受力情況。利用實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)作為仿真計(jì)算時(shí)的載荷輸入，可使仿真結(jié)果更接近彈丸發(fā)射過(guò)程中彈載測(cè)試儀真實(shí)受力情況，仿真計(jì)算流程如圖3所示。

3 有限元仿真及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)

彈載測(cè)試儀常采用波阻抗差別較大的多層材料構(gòu)成的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)[9]。該結(jié)構(gòu)包括硬結(jié)構(gòu)層、軟結(jié)構(gòu)層、緩沖層及穩(wěn)固層四個(gè)級(jí)別的緩沖層，是一種由外層空心圓柱嵌套內(nèi)層空心圓柱、內(nèi)外層圓柱殼體間用橡膠作為緩沖材料、電路板與內(nèi)層殼體一體化灌封的結(jié)構(gòu)。測(cè)試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖4所示。殼體結(jié)構(gòu)由圓柱形35CrMnSiA鋼外殼、橡膠(緩沖材料)及圓柱鋁殼構(gòu)成，測(cè)試系統(tǒng)電路板水平放置于內(nèi)殼中，其余部分采用環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行灌封。

3.2 模型建立

借助LS_DYNA軟件對(duì)測(cè)試儀整體進(jìn)行沖擊載荷作用下的應(yīng)力仿真，由于此次實(shí)際的彈載測(cè)試儀具有軸對(duì)稱(chēng)性，為了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算，建模時(shí)采用二維平面單元進(jìn)行求解，選擇二維實(shí)體單元PLANE162作為單元類(lèi)型，橡膠材料選取BLATZ-KO-RUBBER橡膠彈性模型，其余均選用彈塑性模型PLASTIC-KINEMATIC，網(wǎng)格劃分后模型如圖5所示，各部分材料選取參數(shù)如表1所示[4,6,10-11]。

材料密度ρ/(kg·m-3)彈性模量E/GPa泊松比ν35CrMnSiA80002060.284橡膠11201.040.463鋁2710750.3環(huán)氧樹(shù)脂10822.270.34電路板1800140.34

3.3 施加載荷

由圖2可知，測(cè)試儀在火炮膛內(nèi)受到最大加速度載荷約為12 000g，出炮口時(shí)受到加速度載荷最大，約為33 000g。將如圖6所示的實(shí)測(cè)加速度載荷沿Y軸正方向施加于彈載測(cè)試儀外殼底面。

3.4 仿真結(jié)果分析

圖7分別為實(shí)測(cè)加速度載荷施加于測(cè)試儀，不同時(shí)刻測(cè)試儀典型等效應(yīng)力云圖。

由不同時(shí)刻測(cè)試儀典型等效應(yīng)力云圖可知，沖擊載荷產(chǎn)生的力絕大部分沿著鋼制外殼材料進(jìn)行傳播，只有少部分能量傳遞到鋁殼。這表明，橡膠作為非線(xiàn)性彈性材料，起到了隔離緩沖的效果，同時(shí)測(cè)試儀內(nèi)部電路板及環(huán)氧樹(shù)脂受到的沖擊力也相對(duì)較小。

分別在測(cè)試儀不同材料上選取單元點(diǎn)查看其等效應(yīng)力曲線(xiàn)，選取各單元點(diǎn)具體位置如圖8所示，各單元點(diǎn)等效應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖9所示。

綜合圖7、圖9可知，測(cè)試儀在彈體發(fā)射過(guò)程中各部分所受應(yīng)力大小分布如下：合成鋼外殼>鋁殼>電路板>橡膠>環(huán)氧樹(shù)脂。在彈體發(fā)射過(guò)程中，由于橡膠材料的隔離緩沖作用，絕大部分沖擊載荷由合成鋼外殼承受，只有較少部分能量傳遞至鋁殼，又由于測(cè)試儀結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用的環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料波阻抗低，僅有鋼材的0.01～0.001倍，當(dāng)沖擊載荷由鋁殼透射到測(cè)試儀內(nèi)部時(shí)，應(yīng)力幅值將大大減小，這與文獻(xiàn)中的結(jié)論一致；根據(jù)仿真應(yīng)力云圖知，合成鋼外殼受到的最大應(yīng)力值約為300 MPa，小于其屈服極限[12]，即合成鋼外殼在模擬火炮發(fā)射沖擊載荷作用下未發(fā)生塑性形變，可認(rèn)為測(cè)試儀結(jié)構(gòu)完好，可有效地保護(hù)測(cè)試儀內(nèi)部電路不受損壞。

4 結(jié)論

本文提出了利用彈載測(cè)試儀實(shí)測(cè)加速度載荷與LS_DYNA軟件結(jié)合進(jìn)行應(yīng)力仿真分析的方法。該方法通過(guò)將實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)作為載荷輸入施加于測(cè)試儀仿真模型，分析出了高沖擊載荷作用下測(cè)試儀內(nèi)部應(yīng)力分布。仿真結(jié)果表明，常用測(cè)試儀結(jié)構(gòu)中橡膠材料可起到很好的隔離緩沖作用，測(cè)試儀鋼制外殼承受絕大部分沖擊過(guò)載，只有少部分能量傳遞至測(cè)試儀內(nèi)部，得出一種常用彈載測(cè)試儀結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，仿真結(jié)果與高沖擊下能量吸收理論一致，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)瞬態(tài)沖擊應(yīng)力分析提供了參考。

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