弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计

Anti-impact protective structure design for a missile accelerometer recorderMA Xi-hong ，LI Chang-long ，SUN Tao ， Jun (1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement。

Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 03005 1，China；2.State Key Laboratory of Electronic Test＆Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)Abstract： For an environment of projectileS penetrating concrete，an anti-impact protective structure for a recorderwas proposed，it was a medium-thin protection outer shell with an inner shell embedded and aluminum foam filled betweentwo shells.For the protection outer shellS buckling under stress wave and the typical failure modes of an inner circuitmodule fracture caused by shortage of aluminum foamS buffer performance，the structural response of a recorder anti-impact protective structure was analyzed under stress wave，the design method for a missile acceleration recorder protectivestructure was presented，it took shell thickness h，aluminum foam density P，and aluminum foam thickness h6 as the maindesign parameters.A recorder protection outer shell was designed with radius of 29 mm，thickness of 3 mm，aluminumfoam density of 1.1 g/cm and aluminum foam thickness of 23 mm，its anti-impact ability was calculated to be 63300 g。

In a test of a projectileS penetrating concrete，the peak impact acceleration was 56300 g.It was shown that the recordershel structure is stabile under impact and its inner circuit works properly under impact，SO this anti-impact protectivestructure designed with the proposed method has a higher reliability。

Key words：missileS penetrating concrete；missile accelerometer recorder；design of anti-impact protective structurefnr a recorder为充分研究弹体侵彻混凝土过程，用弹载加速度测试记录仪 测试侵彻过程中加速度-时间曲线。

在侵彻过程中，测试存储电路无法承受过高冲击，须对内部电路进行有效防护。本文提出双层圆柱壳嵌套、壳体间填充缓冲材料的抗冲击防护结构。为减轻记录仪质量，提高抗冲击性能，外壳体采用厚径比小于 1/8的中薄形外壳，但在应力波作用下，此壳体易发生壳体收稿日期：2012-05-03 修改稿收到日期：2012-07-13第-作者 马喜宏 女，优异级高工，1964年3月生屈曲 。为获取小巧壳(体体积并充分保证缓冲效果，选择缓冲材料密度及精确设计其厚度尤为重要。因此，本文在研究应力波作用下记录仪抗冲击防护结构响应基础上，利用在壳体结构中采用中薄型外壳，并在内壳体与电路封装后抗冲击性能-定情况下，优化缓冲材料厚度达到防护冲击功能，对防护结构进行设计。

该设计方法可精确把握所设计记录仪的抗冲击性能，节省大量试验时间及经费，提高弹上记录系统在恶劣环境下的存活率。

第3期 马喜宏等：弹载加速度记录仪抗冲击防护结构设计1 应力波作用下记录仪抗冲击防护结构响应记录仪抗冲击防护结构采取外层空心圆柱套内层空心圆柱防护、内外防护壳体中间加入泡沫铝缓冲、电路板与内防护壳-体化灌封的结构模式。

圆柱壳体在应力波作用下易发生壳体屈曲，根据Donnel5 导出的圆柱壳轴压作用下静力屈曲方程(轴对称)：D p 0 (1)式中： 为壳法向挠度， 为轴向坐标，R，h，E， ，D分别为壳体半径、壁厚、弹性模量、泊松比、弯曲刚度，p为环向单位长度上的轴压力。

设式(1)的解为： Asin(m'ux/1)，z为壳体长度，可得致壳体发生屈曲的静态临界载荷为：P ，Eh/R/3(1-/z ) (2)然而大量实验结果表明，实验所得动态屈曲载荷不同于该经典静态临界理论解。对此，Budiansky等经过大量试验提出 B-R准则 ，以静态临界载荷为基准，采用试验方法得出壳体动态临界屈曲载荷。

泡沫铝在应力波作用下，自身结构会产生线弹性变形、塑性坍塌及压实破碎三个阶段。泡沫铝的缓冲作用主要撒于动态应力-应变曲线下所包含面积的大小，即： d (3)屈服应力 or 与屈服宽度为决定缓冲性能好坏的两要素 J。理想的泡沫铝材料屈服应力应低于与内壳体- 体化灌封后内部测试存储电路的临界损坏应力，且其应力-应变曲线之下直至密实化开始时的面积积分应等于泡沫铝材料每单位体积吸收的能量。

2 记录仪抗冲击防护结构设计原理记录仪内壳体与内部测试电路进行-体化灌封后，其主要功能在于对内部电路进行初步固定，其本身并不承担主要的抗冲击功能，故其尺寸依据内部测试记录电路板大小而定。对抗冲击结构的设计，主要考虑记录仪的防护外壳和缓冲材料。

防护外壳外径 依据弹体内部实际空间确定∏体的抗冲击性能由壳体厚度 h决定。厚度 h的合理设计，可在满足壳体结构稳定的基础上减少壳体质量，从而减少记录仪冲击动量，提高整个记录仪的抗冲击性能。确定厚度 h关系式为：n axP Ps ax -P-sR- --3i(-1---tz-2-)： Ps日 (4)式中：日为设计过程中的固定值，由选用的材料和实际弹体内部尺寸决定，P 为ANSYS/LS-DYNA模拟弹体冲击硬目标中弹体放置记录仪处的最大应力值。分析壳体动态响应时，先预估-个h值，求出式(2)的P 以p ，为基准，用 ANSYS/LS-DYNA对防护壳体结构冲击端施加不同载荷 印 (n≥1)，分析靠近冲击端单元的轴向最大位移响应 ∞ ，绘制圆柱形防护外壳的 n-曲线。

根据B- 准则，曲线中存在-个极大值载荷加载系数n-，其微小变化引起 -剧烈跳跃(有限)，则载荷P/2maxP 为外防护壳体的临界动力屈曲载荷。在实际冲击过程中， ≥P ，壳体处于结构稳定状态。

根据实际经验，DYNA的仿真结果大于实际冲击值，故取不同h利用 DYNA进行试验，使 /'tmaxP。 近似于 P ，即满足式(4)，同时使 nmax旧能大，h旧能小，则可完成壳体厚度的设计 j。

泡沫铝的缓冲性能，由泡沫铝密度P与厚度 h 决定。泡沫铝密度可通过马歇特锤试验确定 J，试验中测得内壳体所能承受的加速度极限0，结合式(5)可确定泡沫铝缓冲件的屈服应力 为：： (5) P L)式中：m 为内壳体灌封后的质量， 为内壳体横截面积。

按式(5)确定的屈服应力，结合文献[9]平台应力和相对密度关系可选择泡沫铝密度 J。泡沫铝厚度 h 用ANSYS/LS-DYNA确定。仿真中泡沫铝外形按上述设计建模，预估泡沫铝厚度，模拟记录仪结构，泡沫铝顶端加与记录仪外防护壳盖厚度-致的金属盖，在金属盖上加载应力P ，计算可得沿厚度方向的应力衰减曲线，由该曲线可判断所需泡沫铝厚度 h 。

3 弹侵中记录仪抗冲击防护结构设计在测量某型号弹侵彻混凝土靶的加速度试验中，用上述原理设计记录仪抗冲击防护结构。据实际弹体尺寸和混凝土靶体规格，用 ANSYS/LS.DYNA建立弹体侵彻混凝土靶模型 J。在弹体模型中选惹录仪放置夹具，如图 1所示，得弹体侵彻混凝土时夹具受到最大冲击加速度值为：0 3.10×10 g，如图2所示。

利用物体运动过程中瞬间动态平衡特性，得夹具冲击端最大应力值为：P-ll，U1.33×10 Pa，忽略壳体顶部对应力波的衰减，则可得 P 1.33×l0 Pa，其中m为夹具质量，夹具材质为35CrMnSiA钢，s为夹具顶端面积。

记录仪外壳体用35CrMnSiA钢，根据实际弹体内部空间，确定防护壳体外径为29 mm，通过DNYA对不同厚度的防护壳体模型进行应力加载，绘制相应的几-曲线。通过比较分析，当h3 mm时，由 -∞ 曲线得 n 2.6，如图 3所示。根据式(2)得：P 5.92