弹载测试电路模块缓冲防护结构设计及优化

尹威华，杨国来，葛建立，李家坤，苏 艾

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



弹载测试电路模块缓冲防护结构设计及优化

尹威华，杨国来，葛建立，李家坤，苏 艾

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

火炮发射环境易引起弹载电子设备的损坏，为了确保测试工作的可靠完成，设计了弹载测试装置电路模块抗冲击振动的缓冲防护结构。通过建立弹炮耦合模型及测试装置的有限元模型，采用数值计算模拟了弹丸发射过程并分析了测试电路的应力分布状况；从应力波传播及能量吸收的角度探讨了缓冲机理，初步设计了弹载测试装置缓冲防护结构；利用iSIGHT与ABAQUS的联合仿真优化，对缓冲防护模块进行了结构参数优化，优化后的测试电路防护结构最大应力降低了65.1%，缓冲防护效果显著，对该类结构的设计研究具有一定参考价值。

弹载测试装置；冲击振动；电路模块；缓冲防护；优化

火炮发射弹丸是一个高过载强冲击强振动过程，这种恶劣环境极易引发弹载测试装置损坏，如电路板焊点脱落、电子元器件的严重变形等，致使测试失败[1]，必须对弹载测试装置的电路模块进行缓冲防护。

已有众多学者对弹载电子器件的缓冲防护进行了相关研究。钱立志[2]利用有限元分析软件ANSYS对复合减振装置的隔振性能进行了仿真计算，设计了由橡胶垫和碟簧组合的弹载设备抗高过载装置。Vinod[3]等通过建立弹丸和身管的有限元模型，简化弹载电子设备为质量块，利用有限元软件LS-DYNA进行仿真分析，采用碳化纤维、环氧树脂组成的复合材料板块设计抗冲击结构。靳书云[4]等采用高强度钢的机械外壳作为第1级防护，通过有限元法和LS-DYNA软件仿真设计出薄壁金属管填充泡沫铝作为第2级的弹载加速度数据记录仪缓冲保护结构。张晶[5]等利用有限元法对导弹侵彻进行建模，通过软件iSIGHT和LS-DYNA完成数据储存器缓冲减振结构的优化设计，为数据储存器在导弹侵彻靶体过程设计了缓冲隔振结构。马喜宏[6]等在分析应力波作用下记录仪抗冲击防护结构响应的基础上，以壳体厚度、泡沫铝密度、泡沫铝厚度为设计指标，设计出一种中薄型防护外壳嵌套内壳体，两壳体间填充泡沫铝缓冲材料的记录仪抗冲击防护结构。

现有文献对电子设备的缓冲防护的研究众多，但对火炮发射过程电子设备的缓冲防护研究较少，且研究过程中存在模型过度简化的问题，未见采用优化手段进行结构设计。笔者采用有限元法结合优化算法对弹载测试装置的电路模块的缓冲防护模块进行优化设计，对弹载测试电路模块在火炮发射过程进行建模仿真并分析其应力分布状况，从应力波传递和能量吸收的角度探讨测试电路模块的缓冲防护，设计出缓冲防护方案，通过优化手段对缓冲防护结构参数优化使其到达最优的效果。

1 弹载测试电路的有限元仿真

弹丸在膛内时期的受力情况十分复杂，受到火药燃气的作用同时与身管内壁发生剧烈碰撞，致使测试电路模块受力情况分析复杂。笔者利用有限元法，通过建立弹载测试电路模块、弹丸及火炮身管有限元模型，借助有限元分析软件ABAQUS对弹丸发射过程进行了动力学仿真，分析弹载测试电路的动力学响应，为后续测试电路模块缓冲防护的设计提供参考。

1.1 模型假设

为了简化计算模型，对弹炮耦合模型作以下假设：

1)忽略弹带的挤进过程，假设弹带已经完全嵌入膛线，弹丸采用刻槽弹带。

2)不考虑身管的后坐运动及弹丸前端空气动力对弹丸的影响。

3)不计温度应力场，不考虑摩擦产生的热量。

对电路模块的建模作以下假设：

1)假设电路板焊点的强度较高，省略焊点的建模。

2)电路板及元器件的材料为均匀连续介质。

3)微小元器件利用总质量等效法将元件的质量等布在电路板上，体积质量较小的电容电阻等器件采用等效质量点代替。

1.2 仿真计算模型

利用软件Hypermesh建立弹炮耦合有限元模型，模型如图1、2所示。弹丸本体材料为弹钢，身管材料为炮钢，弹带材料为黄铜，弹带在发射过程中经历弹塑性大变形及损伤，涉及到弹带材料的应变硬化、应变率硬化和温度软化，故采用Johnson-cook塑性及断裂失效模型[7-8]，模型材料参数见表1。模型网格采用八节点六面体单元，共有621 664个单元，其中弹丸模型有269 104个单元。

表1 基本参数

参数数值E/MPa115000υ0.31ρ/(kg·m-3)8800A/MPa206B/MPa505n0.42Tr/K293Tm/K1189参数数值m1.68C0.0ε/s-15×10-4d10.54d24.89d3-3.03d40.014d51.12

弹载测试电路模块的结构如图3所示，由测试电路板、灌封材料和高强度合金外壳构成。为了提高电路的抗冲击能力，防止高冲击过载作用下连接线和元器件焊点的破坏，对电路模块采用真空灌封工艺进行强化处理，灌封材料的粘弹效应能衰减应力波幅值[9]。高强度合金外壳防止电路灌封体受到其他部件的变形挤压产生破坏，同时在电路灌封时作为灌封材料固化的容器。测试电路的有限元模型如图4所示，模型材料参数见表2，电路板有限元模型共有23 001个单元。

表2 测试电路模块材料模型参数

弹性模量E/GPa密度ρ/(kg·m-3)泊松比νPCB板2219600.28芯片封装2818900.35灌封材料3.212000.36外壳21078500.30

弹底压力是弹丸发射过程所受到最主要动载荷，通过实弹射击测试得到该大口径火炮发射时的膛底压力变化曲线，根据内弹道公式计算[10]得到弹底压力作为模型计算中数值模拟的主动载荷作用在弹丸本体上，加载压力曲线如图5所示。

1.3 计算结果分析

利用软件ABAQUS显式求解器对模型进行数值计算，测试电路板在发射过程的最大应力值为54.81 MPa，电路板的应力云图如图6所示。图7为整个发射仿真过程电路板应力峰值点处的应力时间变化曲线，由图可知，电路板应力峰值出现膛压最大时刻前后，弹丸出炮口前由于碰撞的加剧应力幅值有增强趋势。在这种大幅值高频率的变应力作用下，灌封材料和测试电路板上的焊点易发生疲劳破坏，若测试电路的加工存在瑕疵或灌封缺陷，将极易发生应力集中现象，导致电路板的断裂、电路芯片损坏、电路板焊点脱落、导线被拉断等一系列问题，最终导致测试失败。

2 缓冲防护结构的设计及优化

2.1 缓冲防护结构的设计原理

缓冲防护结构设计的关键[1]就是衰减传递到测试电路模块的应力波，使应力波的峰值降低，同时通过缓冲材料吸收测试电路模块自身瞬变的动能。根据应力波传递理论[11]，应力波通过不同部件的界面时有

(1)

式中：n为广义波阻抗;T为透射系数;A1、A2分别为应力波通过不同部件界面截面积;ρ1、ρ2为介质密度;C1、C2为介质波速。应力波传递时透射系数T与介质的波阻抗及部件界面的面积A1、A2相关，缓冲防护结构通过选用滤波材料及结构尺寸，使传递到测试电路的应力波衰减，防止高幅值应力波对电路造成破坏。

从能量吸收角度分析，缓冲防护结构的弹塑性变形和材料自身的阻尼作用，减弱由于弹体加速而作用于电子线路上的力。由于弹丸发射过程膛压的变化和弹丸与身管之间的碰撞使得电路模块的动能在某些时刻上剧烈变化，缓冲材料在这一过程中压缩变形及材料的阻尼作用消耗部分能量，使电路模块的速度变化滞后，动能变化速率平缓。

2.2 缓冲防护结构的初步设计

笔者采用橡胶材料与泡沫铝材料的组合对电路模块进行缓冲防护。橡胶是一种应用广泛的缓冲材料，具有优良的隔离振动和吸收冲击的能力。泡沫铝在压缩过程有一个保持近似恒应力平台过程，能够在传递较低应力下吸收能量，具有良好的缓冲吸能特性，同时泡沫铝具有能通过调节相对密度控制的弹性模量、屈服强度等优点。图8为初步设计的缓冲防护结构示意图，采用铝合金材料作为灌封体的保护外壳，缓冲模块作前后对称布置。

2.3 缓冲防护结构优化设计

为了获得最好的缓冲防护效果，笔者对缓冲防护结构进行了优化设计。笔者以发射过程电路板最大应力值最小化为优化目标，选取不同相对密度的泡沫铝和不同硬度的橡胶作为缓冲模块的材料，同时以内孔直径D1、D2作为优化变量，图9为结构优化的示意图。

采用了多岛遗传算法和梯度优化的组合优化策略，利用iSIGHT与ABAQUS联合优化，在MATLAB中读取不同材料的材料参数，通过修改ABAQUS的输入文件*.INP及建模Python脚本文件，从而改变模型的材料参数及孔径大小；通过编写Python脚本文件，对ABAQUS的计算结果文件*.ODB进行读取，获得测试电路板发射过程应力最大点的值作为优化目标函数值。

图10为缓冲防护结构优化前后测试电路应力最大点在发射过程的应力-时间曲线，图11为测试电路应力最大值时刻的应力云图，测试电路在优化后的缓冲防护结构中峰值为12.18 MPa，应力值未超过焊点材料的屈服应力值，比优化前应力峰值降低了65.1%，仅为无缓冲结构下应力峰值的22.2%，缓冲防护效果显著，结构很好地保护了测试电路模块，对降低测试电路加工和电路灌封工艺的要求及提高弹载测试试验的成功率有重要意义。

3 结束语

笔者采用有限元分析与优化算法相结合设计了弹载测试装置的缓冲防护结构，计算证明缓冲防护结构在弹丸发射过程能很好地保护电路，提高了弹载测试试验的成功率，对降低试验成本具有一定意义。笔者的研究对弹丸在火炮膛内时期的各个运动参数的测试研究工作的开展有一定的参考价值，为后续的测试工作提供了简单可行的缓冲防护方案，其优化设计方法可以应用在该类防护结构的设计中。

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Design and Optimization of Cushioning and Protective Structure for a Circuit Module of Projectile-borne Testing Equipment

YIN Weihua, YANG Guolai, GE Jianli, LI Jiakun, SU Yi

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Projectile-borne electronic equipment is easily damaged under the gun launch environment. In order to guarantee reliability of the test, a cushioning and protective structure for the circuit module of projectile-borne testing equipment is designed to resist shock and vibration. Through the establishment of finite element models of projectile-barrel coupling and projectile-borne testing equipment, the dynamic launching process of projectile is simulated through numerical calculation with the stress distribution of the testing circuit analyzed. A discussion is made of the cushioning mechanism from the view of the stress wave propagation and the energy absorption with cushioning and protective structure for projectile-borne testing equipment preliminarily designed. A structural parameter optimization for the cushioning and protective structure is achieved with the simulation optimization method by combining iSIGHT and ABAQUS. As a result, the maximum stress of the circuit module protected by the optimized structure decreases by about 65.1% with cushioning effect of the structure being significant, which can provide a certain referential value for the design and study of this kind of structure.

projectile-borne testing equipment; shock and vibration; circuit module; cushioning and protective structure; optimization

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.012

2015-08-09

国防“973”计划项目；国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ47076508)；江苏省科研创新计划项目(SJZZ_0057)

尹威华(1990—)，男，硕士研究生，主要从事机械动力学仿真和结构优化设计研究。E-mail:yin_nj@qq.com

TJ399

A

1673-6524(2016)03-0056-05