双层壳体防护结构抗高冲击可靠性研究

周优良，丁永红，刘雪飞，刘双峰，牛跃听

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.军械技术研究所，河北 石家庄 050003)

双层壳体防护结构抗高冲击可靠性研究

周优良1,2，丁永红1,2，刘雪飞1,2，刘双峰1,2，牛跃听3

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3.军械技术研究所，河北 石家庄 050003)

针对回收式弹载记录仪在硬着陆瞬间因高冲击会使记录仪扭曲变形而导致内部电路损坏失效的问题，提出了一种抗高冲击的双层壳体复合防护结构。结合先验数据模拟仿真记录仪硬着陆侵彻受力过程，确定垂直侵彻记录仪承受最大冲击过载，以此为基础设计落锤冲击试验研究双层防护壳体对高冲击过载能量传递的衰减特性。试验结果表明在瞬时冲击过载峰值小于25 000g时，双层壳防护结构能有效衰减冲击能量，吸能效果可达50%，可以保护内部电路安全。

仪器仪表技术；双层壳；抗高冲击；落锤试验；能量吸收；可靠性

随着航天技术的不断发展以及未来战争中准确攻击目标的需求，需要对导弹飞行过程中自身的动态参数进行精确分析。回收式弹载记录仪安装于导弹内部，完成导弹飞行动态参数的测试存储。记录仪在回收着陆过程中，会受到高达20 000g的瞬时过载加速度冲击[1]，记录仪若无合理有效的防护措施则会出现装置损坏无法获得宝贵试验数据的情况。姚熊亮等人对应用于潜艇的双层壳结构进行了仿真分析研究[2]，唐永刚从声学角度对双层圆柱壳抗冲击特性进行了仿真研究[3]。笔者提出了一种抗高冲击的双壳体防护结构，将此结构应用于弹载记录仪，着重研究双壳体结构对记录仪在受到高冲击下的防护作用，并对实测信号进行处理，分析双壳体防护结构在高冲击下的动态响应特性，验证防护结构的可靠性。

1 能量衰减原理

1.1 应力波的衰减

在记录仪着陆瞬间受到高冲击载荷作用这一过程中，存在着应力波在记录仪壳体内传播[4]。对于弹性应力波在复杂多层材料介质中的传播，其衰减研究可以参照式(1)进行[5]:

(1)

式中：n是总层数；i是层的编号，最外层为1，由外向内依次增加1,应力波由第i层向第i+1层入射;εi+1是透射层材料中应力波强度;εi是入射层材料中应力波强度；βi是入射层材料的声阻抗；βi+1是透射层材料的声阻抗。

根据式(1)可知:当入射层介质的声阻抗远远高于透射层介质的声阻抗时，透射层介质里的应力波强度将远远低于入射层介质里的应力波强度。

1.2 橡胶吸能特性

目前通常用吸能曲线法来评估缓冲材料的吸能特性，其表达式为[6]

(2)

式中：E为材料的吸能效率；I为材料理想吸能效率；σm为转折点应力；εm为相应应变。

由式(2)可知E、I越大，材料的吸能效果越好。经查阅文献可知橡塑橡胶的理想吸能率可达53%[7]。

2 防护壳体的设计及仿真分析

2.1 结构设计

为使应力波在透射过程中得到有效的衰减，弹载记录仪采用声阻抗差别较大的多层材料构成的复合防护结构。该结构应包括硬结构层、软结构层、缓冲层及稳固层4个级别的缓冲层。具体来说是一种由外层空心圆柱嵌套内层空心圆柱、内外层圆柱壳体间用橡胶作为缓冲材料、电路板与内层壳体一体化灌封的结构。

记录仪在硬着陆回收途中，其本身要受到两方面的力，一是与地面接触瞬间产生的巨大碰撞力；二是记录仪本身在高速状态下的惯性作用力[8]。记录仪外壳使用铝壳作为一级防护装置，通过机械形变吸纳记录仪与地面瞬时碰撞产生的高过载冲击，同时以橡胶作为双层壳体间的缓冲介质，避免内外壳之间的刚性接触，延长冲击过程，降低瞬时冲量。内壳使用经淬火处理后的高强度合成钢35CrMnSiA为壳体材料，防止壳体形变对内部电路的损坏，同时内部电路使用环氧树脂进行灌封，通过高强度材料和内部电路独立灌封的方式吸纳测试仪本身的惯性作用力。记录仪多层复合防护结构的设计，以每层吸纳不同能量为出发点，尽可能吸收碰撞过程中的冲击能量，减少冲击波对内置电路板造成损伤，使记录仪具有抗高冲击、耐湿热环境的能力。

记录仪防护结构剖面示意图如图1所示。由圆柱铝外壳、橡胶(缓冲材料)、合成钢内壳、存储电路等部分组成。

2.2 建立模型

双层防护壳体材料的相关参数如表1所示，根据参数确定内外壳均采用弹塑性模型PLASTIC-KINEMATIC。双层壳体间缓冲材料选择使用橡胶，橡胶采用BLATZ_KO_RUBBER模型[9]；灌封材料选择环氧树脂，模型选择使用PLASTIC- KINEMATIC[10]，二者相关参数如表2所示。

表1 内外防护壳材料参数

表2 橡胶及灌封材料参数

侵彻碰撞的过载加速度a(t)是关于时间的历程函数，同时受记录仪防护模型落地的速度、角度、材料结构参数以及地面模型的厚度h等因素影响[11]，侵彻过载加速度表达式为

a(t)=f(v0,θ,λ,s,γ,h)

(3)

式中:λ为弹形修正系数；v0和θ分别为弹载记录仪防护壳模型侵彻目标地面的速度和角度；h为地面厚度；γ为地面介质特性参数；s为过载传感器相对于防护壳的安装位置参数。

结合以往试验数据可知记录仪着陆为中速侵彻，仿真时取初速度v0为500m/s[12],因此以该速度进行弹载记录仪防护模型侵彻不同厚度的混凝土地面的模拟仿真，仿真中俯仰角θ范围为0°～ 90°。模拟弹载记录仪分离弹体后着陆的侵彻碰撞过程，考查在侵彻碰撞过程中内腔壳体的结构可靠性，为回收式记录仪防护结构的设计优化提供理论指导。弹载记录仪侵彻混凝土地面的几何模型如图2所示。

2.3 仿真结果与分析

图3是几种典型俯仰角下弹载记录仪侵彻混凝土地面时的等效应力云图。为了不影响仿真结果，不同俯仰角对应靶体厚度相同，确保不会因靶体厚度而影响仿真结果。

由不同俯仰角的应力云图可知，相同着陆初速情况下，弹载记录仪着陆所受过载因着陆俯仰角的不同而不同。随着角度的增加，记录仪侵彻地面越深，同时弹载记录仪也发生了不同程度的弯曲变形和损伤。当俯仰角度减小时，弹载记录仪会在地面阻力作用下，沿着弧线飞出混凝土面，并在与混凝土地面多次碰撞后停止。由不同俯仰角的应力云图可知，记录仪在垂直下落时受到的过载最大，下面着重分析俯仰角为90°时，过载对弹载记录仪防护壳的影响。

3 试验验证及分析

为了验证弹载记录仪防护结构设计的合理性，笔者设计了弹载记录仪存储系统，可实现完整采集数据和存储数据的功能。

3.1 记录仪存储系统构成

存储测试系统构成如图4所示，数据采集接口电路对传感器采集到的加速度模拟信号进行放大、滤波处理后，模拟信号经AD转换芯片转化为数字信号，每转换一次后的数字信号由CPLD进行混合编帧生成2个字节的编码并依次写入记录仪存储芯片，存储完成后上位机通过USB读数接口将记录仪中的数据读出，并由上位机数据处理软件进行波形显示。

3.2 落锤冲击试验数据分析

为了验证所设计弹载记录仪的抗冲击性能，在如图5(a)所示的落锤式冲击试验台上进行间隔40min冲击加速度逐渐递增的冲击试验。试验时将记录仪固定于冲击台上，如图5(b)所示，台面上装有标准传感器，由逻辑分析仪采集标准传感器的数据，并与记录仪采集存储的数据作对比。

对2个相同的弹载记录仪装置分别进行了冲击试验，图6、7分别是装置1与装置2外壳传感器BM1002、内壳传感器BM1002实测16组有效数据拟合的曲线图，其中以标准传感器采集到的加速度峰值为横坐标，内外壳传感器采集到的加速度峰值为纵坐标。

结合图6、7实测试验数据进行分析可得：

1)外壳受到的冲击响应比标准传感器测得的加速度值小，说明壳体在冲击瞬间存在能量的耗损，从而导致测得数据偏小。

2)内壳所受冲击小于外壳所受冲击，并且随着冲击力的增大，内外壳能量传递比减小，表明所设计的双层壳体结构起到了吸收能量、减振的作用。

图8为两套装置所受冲击加速度与传递比的曲线。传递比定义为内壳传感器加速度值与外壳传感器加速度比值，该比值越小说明双层复合防护结构对冲击过载衰减越大，防护壳保护作用越强。

由图8可知同一防护结构，其防护性能具有较好的一致性，但对不同冲击响应防护性能又略有不同。分析图8可知设计的防护结构在25 000 g范围内具有良好的能量衰减作用，且在15 000 g以上能量吸收衰减效果更好。

图9为记录仪传感器在18 660 g高冲击条件下测试数据，实线表示的加速度曲线为外壳传感器采集到的数据，虚线表示的加速度曲线为内壳传感器采集到的数据，由此可知双层防护结构能有效地保护记录仪不受损坏。

4 结束语

笔者提出了一种应用于抗高过载记录仪的双层壳体防护结构，并通过试验表明测试装置在受到20 000 g的冲击后，内壳所受冲击仅在10 000 g左右，大部分冲击能量被防护装置有效吸收，装置外壳仅发生微小形变，且内部电路工作正常。以此证明设计的高过载测试系统防护结构设计合理、选材得当，能有效地防护高过载对记录仪影响。

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[1]徐鹏,祖静,范锦彪. 高g值侵彻加速度测试及其相关技术研究进展[J].兵工学报,2011,32(6):739-745.XUPeng,ZUJing,FANJinbiao.Researchdevelopmentofhighgenetrationaccelerationtestanditscorrelativetechnology[J].ActaArmamentarii,2011,32(6): 739-745.(inChinese)

[2]姚熊亮,梁德利,许维军. 双层壳结构抗冲击性能仿真研究[J].哈尔滨工程大学学报,2004,25(3):267- 273. YAO Xiongliang, LIANG Deli, XU Weijun.Research on the simulation of anti-shock capability of double shell[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2004,25(3):267-273. (in Chinese)

[3]唐永刚. 双层圆柱壳的抗冲击特性研究[J].船舶力学, 2010,14(11): 1284-1289. TANG Yonggang. Study on anti-shock characteristic of double-layer cylindrical shell[J].Journal of Ship Mecha-nics, 2010,14(11):1284-1289. (in Chinese)

[4]王礼立.应力波基础[M].北京：国防工业出版社,2005. WANG Lili.Foundation of stress wave[M].Beijing: National Defense Industry Press,2005. (in Chinese)

[5]赵良，田恒春.硬回收装置的设计探讨[J]. 弹箭与制导

学报,2005,25(4): 294-297. ZHAO Liang,TIAN Hengchun. Research on hard recovery system[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2005,25(4): 294-297. (in Chinese)

[6]MILTZ J,GRUENBAUM G. Evaluation of cushioning properties of plastic foams from compressive measurements[J]. Polymer Engineering & Science, 1981,21(15) : 1010-1014.

[7]贾丁治,苟瑞君. 复合橡胶的吸能特性研究[J]. 科技情报开发与经济,2006,16(1):174-175. JIA Dingzhi, GOU Ruijun .Study on the energy absorption characteristic of the composite rubber[J].Sci-Tech Information Development & Economy,2006, 16(1):174-175. (in Chinese)

[8]罗振贵,郑永秋,李圣昆.固态记录器在遥测数据回收中的应用研究[J].现代电子技术,2013,36(7):111- 114. LUO Zhengui,ZHENG Yongqiu, LI Shengkun. Application of solid-state recorder in telemetry data recovery[J].Modern Electronics Technique, 2013,36(7):111- 114. (in Chinese)

[9]尤文斌,丁永红,祖静,等.弹底过载存储记录仪[J].弹箭与制导学报,2012,32(5):145-146,151. YOU Wenbin,DING Yonghong,ZU Jing,et al. Projectile breech overload recorder[J]. Journal of Projectiles, Rockets,Missiles and Guidance,2012,32(5):145-146, 151. (in Chinese)

[10]靳书云,靳鸿,张艳兵,等.弹载加速度数据记录仪抗高冲击设计[J].传感技术学报,2014 (4):463- 466. JIN Shuyun, JIN Hong, ZHANG Yanbing,et al. Anti-impact design for missile accelerometer recorder[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2014(4):463-466. (in Chinese)

[11]张清爽.弹丸侵彻装甲钢板过载特性数值模拟[J].弹箭与制导学报,2009,29(4):133-135. ZHANG Qingshuang.Numerical simulation of overload characteristics when projectile penetrating armored steel plate[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 2009,29(4): 133-135. (in Chinese)

[12]程怡豪,王明洋,施存程,等.大范围着速下混凝土靶抗冲击试验研究综述[J].浙江大学学报:工学版, 2015,49(4): 616-625,637. CHENG Yihao,WANG Mingyang,SHI Cuncheng,et al. Review of experimental investigation of concrete target to resist missile impact in large velocity range[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2015,49(4): 616-625,637. (in Chinese)

Research on the Anti-shock Reliability of Double Shell Protective Structure

ZHOU Youliang1,2,DING Yonghong1,2,LIU Xuefei1,2,LIU Shuangfeng1,2,NIU Yueting3

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,NUC,Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.Key Laboratory for Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,NUC,Taiyuan 030051,Shanxi,China;3.Ordnance Technological Research Institute, Shijiazhuang 050003, Hebei,China)

Aiming at the problem of the distortion of the retrievable missile borne recoder caused by high impact can lead to the damage of the internal circuit when it lands on the hard surface, this paper demonstrates an anti-high shock double shell composite protective structure. In combination with priori data simulating the force procedure of the recorder’s landing on the hard surface, with vertical penetration can make recorder bear the maximum shock overload as a test. Base on this, this paper designs drop hammer test to study the damping characteristics of double shell protective structure under high impact overload energy transmission attenuation. Test results prove that when the instantaneous impact peak overload is less than 25 000g, double shell protective structure can effectively attenuate the impact energy, and that the rate of energy absorption can reach 50%, which can protect the security of the internal circuit.

technology of instrument and meter; double shell; anti-high shock; drop hammer test; energy absorption; reliability

2016-09-07

国家自然科学基金(61471385)

周优良(1993—)，男，硕士研究生，主要从事动态测试与智能仪器技术研究。E-mail：2402100200@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.012

TJ410.6

A

1673-6524(2017)02-0054-05