人工軟骨仿生材料在引信緩沖中的應(yīng)用

陳潤峰, 石庚辰, 張 力，邱強強，魏雪霞

(1.北京理工大學(xué)機電動態(tài)控制重點實驗室，北京 100081；2.西北工業(yè)集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

彈載測控裝置的緩沖保護是引信研究中的熱點問題，對智能彈藥系統(tǒng)的正常工作具有非常重要的意義，為了減小引信元件受到的加速度過載，需要使用緩沖材料對其進行緩沖保護[1]，目前常用的緩沖材料有泡沫鋁、聚四氟乙烯、聚氨酯等。文獻[2—3]通過空氣炮試驗對泡沫鋁材料進行了測試，結(jié)果表明泡沫鋁具有良好的緩沖性能，但在緩沖過程中會被壓實，產(chǎn)生不可恢復(fù)的形變。文獻[4—5]研究了厚度對泡沫鋁緩沖效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)厚度較小時，墊片自身的變形會削弱緩沖效果。文獻[6]對尼龍、聚氨酯、聚四氟乙烯、膠皮、聚甲醛等多種緩沖材料進行了測試，發(fā)現(xiàn)聚氨酯、聚甲醛、膠皮的緩沖效果相對較好，而聚四氟乙烯的緩沖效果較為有限，其緩沖性能主要體現(xiàn)在對應(yīng)力波的過濾和整形方面[4]。隨著彈速的提高，過載加速度逐漸增加，需要探索更高效率的緩沖材料和防護方法。本文針對此問題，提出了使用人工軟骨仿生材料作為彈載緩沖材料。

1 材料與測試方法

1.1 人工軟骨仿生材料

人工軟骨仿生材料是基于人體軟骨的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種具有三維超微結(jié)構(gòu)的新型高分子材料，如圖1所示，其主要成分是聚氨酯。

圖1 人工軟骨仿生材料Fig.1 Artificial cartilage biomimetic material

人工軟骨仿生材料使用化學(xué)反應(yīng)合成，通過在20～200 nm的尺寸下調(diào)整材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，使材料的結(jié)構(gòu)與人體軟骨相接近。在材料受到?jīng)_擊時，其內(nèi)部分子側(cè)鏈在高彈態(tài)下產(chǎn)生形變，延長被緩沖物體速度變化的時間，同時通過形變將沖擊的動能轉(zhuǎn)化為熱能，最高可吸收90%以上的沖擊力。

目前人工軟骨仿生材料已廣泛應(yīng)用于運動保護、運輸防護、機械減震、航空航天等多個領(lǐng)域。

1.2 緩沖材料測試方法

緩沖材料的測試試驗主要可分為靜態(tài)壓縮試驗和動態(tài)壓縮試驗，其中靜態(tài)壓縮試驗可以獲得材料的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用以確定材料在工程裝配時的初始狀態(tài)。本文使用材料壓縮試驗機對人工軟骨仿生材料進行了靜態(tài)壓縮試驗，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 人工軟骨仿生材料的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Static σ-ε curves of artificial cartilage biomimetic material

在緩沖材料的動態(tài)測試方法中，較為常見的有落錘試驗[7]、分離式霍普金森壓桿試驗[8]、空氣炮測試試驗[3]以及馬歇特錘試驗[9]。綜合考慮材料特性、過載特征、裝配環(huán)境、試驗成本等因素，本文選擇馬歇特錘試驗裝置對人工軟骨仿生材料進行測試。

馬歇特錘試驗裝置由砧座、錘頭、錘柄及重物四個部分組成，試驗時將待加載部件與錘頭固連，使用重物下落給錘柄提供轉(zhuǎn)動力矩，通過不同速度的錘頭與剛性砧座碰撞，最高可產(chǎn)生幅值4萬g左右，持續(xù)時間約100 μs的加速度過載，其試驗裝置如圖3所示。

圖3 馬歇特錘試驗裝置Fig.3 Machete hammer experimental device

馬歇特錘試驗裝置產(chǎn)生的過載幅值和持續(xù)時間較為有限，但可重復(fù)性較好，操作流程簡便，因此本測試選擇馬歇特錘試驗裝置提供外界加速度過載。

2 人工軟骨仿生材料在引信緩沖中的應(yīng)用

使用人工軟骨仿生材料制作的緩沖墊片代替?zhèn)鹘y(tǒng)緩沖墊片置于被保護元件的前后，對其進行緩沖保護。本文中使用的墊片為圓環(huán)狀墊片，圓環(huán)外徑為60 mm，內(nèi)徑為23 mm。

為了使馬歇特錘的加載環(huán)境與彈上裝配環(huán)境更加接近，設(shè)計如圖4所示的模擬加載裝置。

圖4 模擬加載裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of analog loading device

模擬加載裝置通過下方的螺紋與馬歇特錘頭固連，整體隨錘頭轉(zhuǎn)動并與錘頭一起撞擊砧座。中部的質(zhì)量塊用以代替實際工況中被緩沖的部件，受到上下緩沖材料的保護，上部的底蓋對內(nèi)部整體進行壓緊，并通過旋緊程度提供一定預(yù)壓。在馬歇特錘頭與砧座發(fā)生碰撞時，位于上方的傳感器1獲取整個裝置剛性碰撞的加速度信號，即未加緩沖措施的加速度信號；固連于質(zhì)量塊上的傳感器2獲取經(jīng)過緩沖之后的加速度信號。通過對比兩個傳感器獲取的加速度信號，可以分析被測墊片的緩沖效果。

試驗中使用的傳感器均為壓電型加速度傳感器，輸出的信號經(jīng)由電荷放大器轉(zhuǎn)換后，通過示波器記錄。

3 試驗結(jié)果與分析

采用上述測試方法，對傳統(tǒng)緩沖墊片和人工軟骨仿生材料墊片進行了緩沖性能測試，測試中馬歇特錘的齒數(shù)為23齒，模擬加載裝置的內(nèi)徑為60 mm，被緩沖的質(zhì)量塊為250 g。

3.1 人工軟骨仿生材料的緩沖性能測試

為了測試人工軟骨仿生材料的緩沖性能，選取總厚度18 mm的人工軟骨仿生材料墊片進行試驗。作為對比，在相同條件下對由聚氨酯、聚四氟乙烯等組成的傳統(tǒng)緩沖墊片進行測試，測試中上下緩沖墊片的厚度均為9 mm，得到的加速度-時間曲線如圖5、圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)緩沖材料測試曲線Fig.5 Traditional cushion material testing curve

圖6 人工軟骨仿生材料測試曲線Fig.6 Artificial cartilage biomimetic material testing curve

從圖5可以看出，馬歇特錘23齒時產(chǎn)生的加速度過載峰值在4萬g左右，持續(xù)時間約100 μs，經(jīng)過傳統(tǒng)緩沖材料的緩沖之后，其峰值降為2.3萬g左右，持續(xù)時間約140 μs。

與之相比，圖6中經(jīng)過人工軟骨仿生材料緩沖之后的加速度曲線峰值更小，約為5 500g，其持續(xù)時間更長，約為650 μs。具體數(shù)值及緩沖效果如表1所示，表中材料A為傳統(tǒng)緩沖材料，材料B為人工軟骨仿生材料。

表1 傳統(tǒng)緩沖材料和人工軟骨仿生材料 緩沖效果對比Tab.1 Comparison of cushion effect between traditional cushion material and artificial cartilage bionic material

由此可以看出，人工軟骨仿生材料在相同的試驗條件下，減小加速度峰值、延長加速度時間的緩沖性能比傳統(tǒng)緩沖材料更好。

3.2 厚度對緩沖性能的影響

在單方向的沖擊試驗中，位于下部的緩沖墊片起主要作用，因此為了研究厚度對材料緩沖性能的影響，在總厚度18 mm的基礎(chǔ)上將下緩沖墊片的厚度分別改為3、5、9、12 mm進行試驗，其中厚度為3 mm時的加速度-時間曲線如圖7所示，具體試驗結(jié)果如表2所示。

表2 厚度對緩沖效果的影響Tab.2 Influence of thickness on cushion effect

圖7 材料厚度3 mm測試曲線Fig.7 Test curve of 3 mm thick material

將加速度峰值降低的百分比除以對應(yīng)的墊片厚度3、5、9、12 mm，得到單位厚度(mm)的材料降低加速度峰值的效果，分別為20%、14.6%、9.6%、7.5%。可以看出，隨著材料厚度的增加，材料整體體現(xiàn)出的緩沖效果逐漸增強，但單位厚度的材料體現(xiàn)出的緩沖效果逐漸減弱。

3.3 人工軟骨仿生材料的重復(fù)沖擊試驗

對同一組人工軟骨仿生材料墊片進行多次重復(fù)沖擊試驗，測試材料在沖擊后緩沖性能的變化，試驗中下緩沖材料為12 mm，上緩沖材料為6 mm，其中第1次和第4次試驗的加速度-時間曲線如圖8、圖9所示。

由于經(jīng)過緩沖之后加速度曲線幅值較小，與未經(jīng)緩沖的加速度信號相比變化不明顯，所以圖8、圖9采用雙Y軸的形式顯示，左側(cè)Y軸刻度為未經(jīng)緩沖的加速度信號，右側(cè)Y軸刻度為緩沖過后的加速度信號。

圖8 材料厚度12 mm第1次測試曲線Fig.8 The first test curve of 12 mm thick material

圖9 材料厚度12 mm第4次測試曲線Fig.9 The fourth test curve of 12 mm thick material

需要特別說明的是，緩沖后的加速度曲線在沖擊結(jié)束之后未回到電壓零點，產(chǎn)生了零漂現(xiàn)象，但由于本試驗為單次沖擊，兩次試驗時間間隔較長，在下一次沖擊時，傳感器的輸出(零漂)已經(jīng)回到電壓零點。因此，盡管在試驗中出現(xiàn)零漂現(xiàn)象，但對下一次試驗的幅值和脈寬影響不大。四次試驗的具體結(jié)果如表3所示。

表3 人工軟骨仿生材料的重復(fù)沖擊試驗Tab.3 Repeated impact test of artificial cartilage bionic material

從表3中可以看出，在峰值約4萬g，持續(xù)時間約100 μs的加速度過載下，12 mm厚度的人工軟骨仿生材料將加速度過載峰值降低90%左右，且同一組緩沖材料在多次重復(fù)試驗下厚度無明顯變化，緩沖效果效果也無較大差別，說明了人工軟骨仿生材料在沖擊后緩沖性能保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出了將人工軟骨仿生材料用作彈載緩沖材料，使用該材料制作了緩沖墊片，并結(jié)合馬歇特錘對墊片進行了緩沖性能測試。測試結(jié)果表明：在幅值約4萬g，持續(xù)時間100 μs左右的加速度過載下，人工軟骨仿生材料的緩沖性能優(yōu)于傳統(tǒng)緩沖材料。隨著厚度的增加，材料整體的緩沖效果逐漸增強，但單位厚度材料的緩沖效果逐漸減弱。在多次重復(fù)試驗下，人工軟骨仿生材料的緩沖性能保持穩(wěn)定，為彈體內(nèi)部緩沖材料的選擇和設(shè)計提供了一定的參考。