彈載記錄儀存儲模塊防護結構設計及優化

王 艷，郭 靖，張會新，彭晴晴

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室, 太原 030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室, 太原 030051；3.北方自動控制研究所, 太原 030006)

為了驗證導彈性能參數是否符合設計規范，改進導彈設計和生產中可能存在的問題，保證導彈的安全性與打擊目標的精確度，需要進行大量試驗。彈載記錄儀可用于記錄導彈試驗期間導彈全彈道過程的多種參數[1]，比如發射壓力、飛行速度、飛行姿態、加速度等。試驗結束后，彈載記錄儀及時回收后，記錄部分被回收，上位機讀取存儲數據，判讀導彈在試驗過程中的多參數數據和飛行狀態。攻擊高強度工事時，彈體產生很大的過載沖擊，會導致存儲芯片失效，這決定了彈載記錄儀在抗高過載防護結構方面優化設計的重要性[2]。就彈體侵徹目標來說，彈載記錄儀能否承受導彈接觸并完成打擊目標過程中的高沖擊和強振動，直接決定了測試是否成功。因此，優化彈載記錄儀在高過載沖擊下的緩沖保護結構對于研制導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理論分析

1.1 存儲芯片結構及失效模式

芯片在高過載沖擊下，外殼環氧模塑料會產生變形量，由于變形會在芯片內部逐漸衰減，芯片內傳遞時變形量會逐漸減小，當傳遞過程中某變形量大于芯片的彈性形變閾值時，芯片將會失效。導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。因此對記錄器的保護最主要的是數據存儲芯片的保護。芯片內部結構如圖1所示。

圖1 存儲芯片內部結構示意圖

1.2 應力波破壞因素

記錄儀放置于彈體內部，彈體在侵徹目標過程中產生很高的應力，應力在彈體內以應力波的形式傳播[4]。應力波具有傳播衰減、變截面反射與透射的特性，應力波從外殼體傳遞到內部存儲芯片過程中，先后經過三層鋼殼體及環氧樹脂灌封材料，剛性殼體的波阻抗遠大于常用灌封材料的波阻抗[5]，能夠傳遞到內部存儲結構的應力波較小。環氧樹脂灌封材料有吸能的作用，粘彈性較強，可減弱和隔離外界沖擊。但在高沖擊強度條件下，灌封材料會流體化，致使電子設備不能完全包裹在灌封材料內部，致使存儲器件損毀。

為解決這一問題，提出在殼體內部再加入一層剛性保護裝置的結構優化方案，利用存儲保護裝置內部結構固定存儲模塊，有效隔絕應力波，對存儲芯片進行保護。

1.3 慣性力破壞因素

彈載記錄儀經可靠設計后仍存在失效情況，且大部分發生在二次沖擊力發生時。這是因為在高沖擊力的作用下，每個結構的慣性力是相同的，但結構高度不同，結構間的作用力會隨著高度增加而增加[6]，因而殼體底部的存儲模塊最易失效。彈載記錄儀由于慣性力而損壞的原因主要有兩種：

1)彈體擊打目標時的速度過大，侵徹產生的加速度的峰值過高；

2)侵徹發生后，高加速度狀態長時間保持，致使能量過大。

為解決這一問題，在存儲保護裝置底部設計緩沖材料結構，可有效減緩存儲模塊在撞擊發生后產生多個高峰值脈沖，降低加速度，延長能量釋放過程。

2 緩沖防護結構的設計及優化

2.1 整體緩沖防護結構設計原理

通過分析存儲芯片結構及損毀原因，結合彈緩沖保護理論，裝置采取機械殼體為三層的設計，結構內部外圍電路及結構間隙采用環氧樹脂灌封的設計理念。選用聲阻抗差別較大的多層材料設計成復合式結構，主要包含4層，最外層的硬結構層、中間緩沖層和存儲防護層，以及各層間的軟結構層。從結構的總體空間布局相容性出發，防護結構最外層設計采用圓柱形結構，內嵌圓柱形殼體；中間緩沖層結構與最外層結構相同，存儲設計外圍電路設計放置于緩沖層殼體之上，最外層結構之內；存儲防護層設計為橢圓形殼體，存儲芯片及電路放置于橢圓形殼體內腔。最外層與中間層間利用環氧樹脂作為緩沖材料；中間緩沖層與存儲防護層間放置加入泡沫鋁作為底部墊底層，間隙灌封環氧樹脂；存儲防護層內部灌封環氧樹脂。未優化整體防護裝置為圓柱形結構，裝置示意圖如圖2。

圖2 圓柱形結構整體防護裝置示意圖

導彈落地撞擊過程中絕大部分的沖擊都由最外層殼體承受，應采用動態斷裂強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。選用環氧樹脂作為灌封材料，因其很好地緩沖吸能效果，且環氧樹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 存儲防護層結構設計原理

存儲芯片是整個記錄儀的核心部分，是防護結構主要保護部分[8]。在原有設計基礎上，將原存儲防護結構的圓柱形優化設計為橢圓形殼體，存儲芯片及電路放置于橢圓形殼體內腔，利用環氧樹脂灌封。設計了兩種存儲防護結構，區別其內腔放置存儲電路部分，一種防護結構內部為開槽，即橢球體內腔設計挖出適合核心存儲器形狀的腔體的存儲模塊防護裝置，結構如圖3(a)所示；另一種防護結構內部為挖空設計，即橢球體內腔設計挖出圓柱形腔體，結構如圖3(b)所示。

圖3 橢圓形存儲防護層結構示意圖

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力學問題[9]，為研究該防護結構的可靠性，用Ansys/Workbench 17.0模擬實際情況，建立如下模型參數：模擬記錄儀裝置以850 m/s撞擊夯土靶體；材料主要參數如表1所示。

表1 材料主要參數

使用SolidWorks完成對幾何模型的建立，設計出不同形式的抗沖擊保護裝置，保護裝置均為復合模型。使用Hypermesh有限元前處理軟件對幾何模型進行網格劃分，大部分結構使用高精度六面體單元離散，部分結構使用四面體單元離散，并對計算進行了初步的網格無關性分析，保證了計算的精度。

3.2 仿真結果

針對不同結構組合件緩沖效果，設計4種存儲器防護結構，分別為：

1)未裝入彈體的記錄儀部分直接撞擊靶體。

2)將防護結構設計為圓柱體，在圓柱體內腔設計挖出圓柱形腔體體，將整體結構裝入彈體。

3)將防護結構設計為橢球體，在橢球體內腔設計挖出圓柱形腔體，將整體結構裝入彈體；并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料。

4)在橢球體內腔設計挖出適合核心存儲器形狀的腔體，及開槽型內腔，將整體結構裝入彈體；并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料。

對4種結構進行仿真分析，首先使得記錄器結構在未裝載彈體及以上4種情況下以850 m/s撞擊夯土靶體，選取存儲芯片上的4個點分別測得其應力及加速度。測點分布、如圖4所示。仿真計算得到以上4種情況下的應力曲線和加速度曲線如圖5所示。

圖4 測點分布圖

通過分析各情況下的應力曲線和加速度曲線，可知防護裝置不同，則子彈撞擊夯土靶體產生的沖擊力傳遞到內部存儲芯片上的時間不同，最先受力端1號和2號點位被擠壓，產生應力。橢球形+圓柱內腔相比于橢球+開槽，有多個高峰值脈沖；加入墊片，脈沖峰值減少；這種脈沖對于電路是極為有害的[10]。通過仿真計算可得以上4種情況下的應力曲線和加速度曲線計算結果表2所示。

表2 應力曲線和加速度曲線計算結果

分析可知，不同防護裝置對存儲芯片保護均有效果。橢球形結構相對于圓柱形結構更能有效保護內部存儲器；腔體內部為開槽狀相對于圓柱內腔防護效果更強；加入墊片能夠有效保護存儲器后端。針對不同結構組合件緩沖效果后，緩沖前后應力和加速度曲線略有不同，通過對以上情況分析可知，橢球開槽挖空加墊片的防護型結構具有明顯優勢。利用Ansys/Workbench17.0進行模型設計，其模型結構、網格劃分如圖6所示。其應力云圖如圖7所示。

圖5 測點應力時程曲線和加速度變化曲線

圖6 模型&網格劃分

圖7 應力云圖

當子彈撞擊夯土靶體速度達到850 m/s時，該結構前端最大應力值為2.8 MPa，后端最大應力值為1.4 MPa，最大加速度峰值為100.8g。該緩沖結構有較大緩沖作用，脈寬達到200 μs，加速度較為穩定，減少了多個脈沖峰值對于電路影響?？捎行p小炮彈撞擊對于存儲模塊的破壞。

4 結論

設計了一種新型多層殼體緩沖隔離的防護結構，并利用有限元仿真工具，將優化前結構，即橢球挖空圓柱結構，與優化后結構，即橢球開槽，結構仿真對比，最后選擇在橢球體內腔設計挖出適合核心存儲器形狀的開槽腔體，并在橢球體與中間層接觸的空間填充泡沫鋁材料的結構。仿真試驗環境建立相關有限元模型，由計算結果看出：存儲防護模塊能夠有效保護內部存儲器件。此防護型結構可應用于彈體內測的參數采集。