弹载加速度记录仪在冲击环境下的失效研究

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Failure study on a missile accelerometer recorder under shock environmentBAO Ai-da ，CHEN Yuan-e ，LI Chang-long ，LIU Jun ，FANG Xu。

(1.MOE Key Laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 03005 1，China；2.State Key Lab.of Electronic Test& Measurement Technique，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Inteligent Instrument Factory of Hebei Polytechnic University，Tangshan 063000，China)Abstract： In a projectile penetrating process，the influence of a high g shock on a missile acceleration recorder wasanalyzed，and the recorder acceleration values under action of shock stress wave were obtained.The dynamic structuralresponses of the acceleration recorder shel1.buffer material and circuit board were studied and the failure modes topossibly appear including failure of shell structure，buffer material performance insufficiency，and chip cracking due torelative motion between chip and PCB board were presented. For each failure mode，the dynamic behavior of eachprotection unit of the recorder was numerically simulated with ANSYS/LS.DYNA，then，the each protection unit failurecritical acceleration was obtained.It was shown that the circuit board failure critical acceleration iS 1.93×10 g：the shellbuckles when the impact acceleration is 1.63×10 g；when the impact acceleration rises to 5.63×10 g，the buffermaterial fails.After real ammunition penetration tests.it was observed that the recorder fails under 1.5×10 g impactacceleration.The test results provided data support for the design and optimization of a missile acceleration recorder duringsubsequent projectile actual penetration。

Key words：missile accelerometer recorder；shock；stress wave；failure在高冲击作用下，能够获得准确、可靠的测试数据是当前加速度记录仪研究的重点，自上世纪70年代开始，国外开始对加速度记录技术进行研究。美国在这方面的研究成果尤为突出，由于其研究起步早、时间长、试验数据丰富，研究工作系统深入，取得的成果促进了加速度记录仪的飞速发展。美国Sandia国家实验室研制的-种微型高 g值加速度弹载记录器，能够承受大于40 000 g的加速度冲击；美国武器研究发展收稿 日期：2012-11-01 修改稿收到日期：2013-03-06第-作者 鲍爱达 男，博士生，讲师，1980年 1月生和工程 中心研制 出遥测加速度记录仪，能够 承受50 000 g的高冲击↑几年来，国内对加速度记录仪也进行了系统的研究，如中北大学较早全面地研究了弹载存储测试技术，北京理工大学、南京理工大学等单位也都在弹体侵彻混凝土等硬目标的加速度测试方面进行了研究 ，但是国内对记录仪的防护仍缺乏系统的研究。

本文从应力波角度出发，分析高冲击过程中弹体内加速度值的分布；对记录仪防护结构按防护功能进行了结构划分，研究不同功能的防护结构在冲击作用下的结构响应，总结出加速度记录仪在高 g值冲击环第 13期 鲍爱达等：弹载加速度记录仪在冲击环境下的失效研究 183境下的失效模式，针对失效模式分析出其失效机理，对深入研究加速度记录仪的可靠性技术提供依据。

1 高g值冲击过程中弹体内加速度分布弹体在侵彻硬目标过程中，载荷的加载速率很快，因此弹体顶端承受非常大的载荷，作用在弹体前端外表面的作用力将随着介质的相互作用迅速向弹体内部传播，形成应力波 J。弹体和记录仪的示意图如图 1所示。为满足记录仪最大的可靠性，本文在对弹体侵彻应力波传播特性研究时，不考虑弹体与记录仪在应力波作用下的横向惯性效应，即将弹体视为长杆。

图 1 弹体和弹载记录仪示意图Fig.1 The missile and recorder如图2所示，设弹体微元段位移为 M，应变 、弹体截面上质点速度"12 m 和应力 ，描述杆中纵波的控制方程是由运动学条件、动量守恒方程和材料本构关系三个方程得出。

联立三个方程并将应变和质点速度的表达式-并代人，求得-维弹体杆的波动方程： 0XL (1) 、设 ，f0为弹体长度，C为应力波波速。弹体在侵彻过程中，-端受冲击载荷 P(t)作用，另-端为自由端，则弹性波传播的边界条件为：- 0 <。。， 0 (2) aXx：l将弹性波传播的初始条件及边界条件代入波动方程，采用分离变量法求解 U，对其二阶求导可得：. 1T。 00 n -2口1 南 ( )嘶 i，r)其中：P是载荷峰值，t 是载荷持续时间。

图2 弹体的微兀段Fig.2 The missile infinitesimal section通过建立波动方程，分析应力波对弹体内加速度分布的影响。在高 g值冲击作用下，可以得出弹体内任意位置处和加载到加速度记录仪上的加速度值，进而求出弹体内的加速度分布情况。

2 应力波作用下记录仪的结构响应及数值分析由于应用环境的特殊性，弹载存储设备必须具备体积孝功耗低，具有抗高过载的能力和测量高过载的能力。弹载存储设备由三个部分组成：外壳、缓冲物质、存储测试电路体。弹载存储设备总体结构如图2所示。

1.顶盖；2.外钢壳；3.泡沫铝；4.内钢壳；5.毛毡；6.电路板腔体；7.内钢壳盖图 3 记录仪剖面图Fig.3 The section of recorder2.1 记录仪外壳体的结构响应在冲击过程中，在弹体内传播的应力波将首先作用在记录仪的壳体上，对壳体结构造成冲击，对其造成- 定程度的毁伤。

根据轴对称横向运动的动力学方程为：04， 、E h. D -J7、r( )dx -p12M cgw 0 (4)式中：DE /[12(1- )]，在双波作用下，弹性区E E，在塑性区 E E 。忽略转动惯性效应，则方程(4)成为：振 动 与 冲 击 2013年第 32卷D -Ⅳ( ) JD ：0 (5)ox ox 1x oy对式(5)采用分离变量法求解，可得发生屈曲的最低临界应力为：i lODr /hL (6)上式给出的结果考虑了应力波作用下由于横向惯性所导致的临界应力值，这里若考虑 Donnel导出的圆柱壳轴压作用下静力屈曲的方程 J：D O'wpO-o，J -Lh(cJ：0 (7)ax 8 K可得记录仪在静力作用下的临界屈曲应力值为：or ，Eh/R，/3(1-tx )4D，r /hL (8)动力屈曲问题的力学机制与静力屈曲相类似，其差别就在于在静力情况下增加考虑瞬时惯性力的作用，由上述分析可知，由于横向惯性的引人，大大地提高了屈曲载荷的临界值。根据壳体的几何尺寸，由式(6)可以等效得记录仪动态冲击下的临界屈曲应力值。

在实际冲击过程中，到达加速度记录仪的应力值若大于临界屈曲应力值，壳体则会发生屈曲现象5]。

2.2 缓冲材料的结构响应根据各种缓冲材料的性能，在加速度记录仪的缓冲材料设计 中使用非线性缓冲装置-泡沫铝，利用泡沫铝在冲击过程中的压缩变形吸收能量 J。

泡沫铝在冲击压力作用下的应力 -应变情况需经历弹性变形区、塑性平台区、压实致密区三个阶段：当压缩应变很小时，应变随应力的加载呈现线弹特性；在压载荷增大到-个临界值时，在曲线中将出现-个平台，平台区内在应力几乎恒定不变的情况下出现非常大的应变；最后泡沫铝在压力作用下使结构胞壁被挤压在-起，即泡沫铝被压实，应力又迅速增大 。其变化过程如图4所示。

图4 泡沫铝应力 -应变曲线Fig.4 The stress-strain curve of aluminum foam2.3 电路板结构响应在冲击过程中，元器件如芯片相对 PCB而言可近似为刚体考虑，电路板组件在跌落作用下会使电路板产生挠曲，而这些往复弯曲会使板级连接的焊点受到反复的拉压应力，最终导致芯片本身的断裂。

在研究测试存储电路在应力波作用下的结构响应时，将芯片看做刚体，研究在应力波作用下 PCB板的冲击结构响应9 J。

PCB板的挠度方程可以表述为 ：O)nm. ： (专 ) sin( )sinA0 "IT nm ( ) I J-- IJ I丁JPCB和电子封装组件上下弯曲时二者不同的挠曲是电路板组件冲击后失效的根本原因。

3 ANSYS/LS-DYNA仿真分析3.1 防护壳体仿真针对壳体的屈曲，建立有限元模型，模型采用 g-mm- s尺寸，采用 B-R准则来判断壳体屈曲的临界值。

记录仪壳体采用35CrMnSiA钢，根据式(8)导出的圆柱壳轴压力作用下静力屈曲方程，求得在记录仪的临界载荷为：Pcr0.605Eh/R；结合式(1.5)导出的加速度方程，求出作用在记录仪上的加速度值，以此加速度值为基准，首先施加 5×10 Pa的冲击应力，通过ANSYS/LS-DYNA软件，不断加大冲击应力，对壳体屈曲进行有限元仿真。由仿真结果得出，当冲击应力达到2.5×10 Pa时，等效成冲击加速度为 1.63×10g，壳体发生屈曲。如图6所示，壳体屈曲部分位移如图7，屈曲单元偏离外壳体最大位移为 12 mm。

图5 壳体的轴向加载Fig.5 Load oftherecorder shell图6 壳体屈曲Fig.6 The shel flexure图7 屈曲部分位移曲线Fig.7 The displacement curve of flexure part3.2 缓冲材料仿真通过 ANSYS/LS-DYNA对缓冲材料的缓冲性能进行仿真，缓冲材料采用泡沫铝，密度为 1.1 g/am ，厚度为 20 mm，将在外壳体仿真得到的冲击应力 5.9×第 13期 谢承煜等：露天爆破振动对临近建筑的动力响应及降振措施研究 193[15][16][17][18][19]Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(16)：2730-2733. [20]陈占军，朱传云，周秀.爆破荷载作用下岩石边坡动态响应的 FLAC3D模拟研究[J].爆破，2005，22(4)：8-13。

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