高過載數(shù)據(jù)儲存器緩沖隔振結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

張 晶，賈宏光，郝相宇，周 凌

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049）

導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)階段中數(shù)據(jù)測試極其重要，常用的有兩種方法：一是無線搖感測法，另一種是回收遙測。前者系統(tǒng)復(fù)雜，測試成本昂貴，難以在反坦克導(dǎo)彈中應(yīng)用，且存在黑障區(qū)；后者克服了無線遙感保密性差、傳輸速度慢、對環(huán)境條件要求較高的缺點(diǎn)，并且投資少、更新快、造價(jià)低而且組織飛行試驗(yàn)簡單。因此，回收遙測在導(dǎo)彈試驗(yàn)中取得了廣泛的應(yīng)用。而回收遙測，是在最后彈射出落地或者跟隨導(dǎo)彈直接侵徹目標(biāo)，最終一起回收的，尤其那些用于記錄導(dǎo)彈侵徹目標(biāo)過程的數(shù)據(jù)儲存器，承受著復(fù)雜的侵徹沖擊加速度。在導(dǎo)彈侵徹過程中由于彈體自身的破壞，儲存器有可能不只承受過載加速度所帶來的慣性力，還有可能直接跟隨著彈體殘骸侵徹目標(biāo)，受到彈體其他設(shè)備的擠壓碰撞而破壞。因此機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的抗沖擊、隔振性能顯得更加重要，對提高系統(tǒng)的可靠性和合理性起著重要的作用，直接影響數(shù)據(jù)回收能否成功［1］。

傳統(tǒng)的緩沖理論為剛體彈簧模型，往往以降低沖擊加速度為目標(biāo)，無法解決狹小空間上的緩沖問題，且剛體模型不能準(zhǔn)確描述彈性體各部分的實(shí)際受力狀況。本文中，應(yīng)用應(yīng)力波理論配置合理的阻抗比，兼顧緩沖與隔振去設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不以降低過載加速度為指標(biāo)，而選取降低最大動應(yīng)力為目標(biāo)，利用非線性軟件校核、優(yōu)化，最終完成炮擊實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)回收。

1 緩沖減振結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

圖1 數(shù)據(jù)儲存器幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the data recorder

儲存器在彈體侵徹靶體前一階段，主要承受隨機(jī)振動的干擾，侵徹過程中則存在著大振動、大沖擊，三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)在沖擊防護(hù)上有著明顯的優(yōu)勢［2－3］，為了增強(qiáng)減振的能力，增加了吸振能力較強(qiáng)的硅橡膠，并且采用了二級緩沖隔振措施。圖1為儲存器1／4軸對稱圖。

應(yīng)力波通過介質(zhì)1向介質(zhì)2的界面的透射系數(shù)T為［4］

式中：A為應(yīng)力波通過界面截面積，ρ為介質(zhì)密度，c為應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播速度。當(dāng)T＜1時(shí)，透射應(yīng)力波幅值小于入射應(yīng)力波幅值，即能起到減振緩沖作用。

前端圓弧無論在正碰還是側(cè)碰時(shí)受力狀態(tài)好，由式（1）可知，應(yīng)力波從小截面向大截面?zhèn)鬟f時(shí)，存在反射衰減；挖空處，不但能減輕質(zhì)量，還能阻止應(yīng)力波的傳遞。通過緩沖濾波物質(zhì)、減振墊可以濾波減振，芯片板灌封加固在內(nèi)殼中，灌封物質(zhì)也能起到濾波減振的作用。

2 緩沖減振結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)力波傳遞理論，優(yōu)化配置材料阻抗比，以降低數(shù)據(jù)存儲芯片的最大動應(yīng)力為目標(biāo)，建立導(dǎo)彈侵徹的有限元模型，聯(lián)合Isight與Ls－dyna完成數(shù)據(jù)儲存器緩沖減振結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 彈體與靶體有限元模型Fig.2 The FEA model of target and projectile

圖3 儲存器有限元模型Fig.3 The FEA model of the data recorder

2.1 全彈侵徹模型的建立

［5－6］，在建立侵徹模型時(shí)進(jìn)行合理的簡化，去除部分不參與碰撞吸能的零件、部分吸收能量較少的部件（如攝像頭、電路板、螺釘?shù)龋詈笤偌由吓渲刭|(zhì)量塊，建立如圖2所示的全彈侵徹混凝土靶的有限元模型。金屬材料選用Johnson－Cook強(qiáng)度模型，混凝土靶選取Johnson－Homquist本構(gòu)模型。

2.2 儲存器有限元模型的建立

將圖1中關(guān)鍵尺寸（如內(nèi)腔空間、緩沖濾波物質(zhì)尺寸、外殼壁厚、挖空尺寸等）參數(shù)化建模，并裝配上存儲芯片及電路板，網(wǎng)格控制在2～4mm［7］，全部結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以保證非線性動態(tài)求解精度，如圖3所示（1／4軸對稱模型）。橡膠選用Mooney－Rivlin本構(gòu)模型，泡沫鋁選用Crushable－foam本構(gòu)模型，電路板選用Orthotropic－elastic本構(gòu)模型，芯片選用Plastic－kinematic本構(gòu)模型。

2.3 Isight與Ls－dyna的聯(lián)合優(yōu)化

由式（1）可知，選擇緩沖濾波材料很重要，常用材料有泡沫鋁、石英砂、毛氈及橡膠等彈性物質(zhì)，其中泡沫鋁的緩沖性能最佳，橡膠減振性能優(yōu)越［8－9］。據(jù)此利用Isight與Ls－dyna，不僅對關(guān)鍵幾何尺寸（前端圓弧R、內(nèi)部圓弧r、外殼腔壁厚T、端蓋厚度t、外殼內(nèi)腔長度L、緩沖物厚度d1、內(nèi)殼厚度d0和緩沖物厚度d2）進(jìn)行了優(yōu)化，還對材料性能（泡沫鋁、橡膠和毛氈）進(jìn)行了選擇優(yōu)化，對不同應(yīng)力平臺區(qū)的泡沫鋁及不同硬度的橡膠進(jìn)行了阻抗匹配優(yōu)化選擇。在整個(gè)侵徹過程中，增強(qiáng)了應(yīng)力波的反射和衰減，使傳遞到存儲板上的最大動應(yīng)力最小。將其他部件的強(qiáng)度極限作為約束條件，并對優(yōu)化變量進(jìn)行了靈敏度篩選，對造成最大動應(yīng)力的因素進(jìn)行了區(qū)分，以提高優(yōu)化功效。

圖4 Isight與Ls－dyna優(yōu)化模塊Fig.4 The optimization module for Isight and Ls－dyna

圖4為Isight與Ls－dyna的優(yōu)化模塊圖，非線性動力學(xué)優(yōu)化問題可能存在多峰值最優(yōu)，采用自適應(yīng)模擬退火法與二次規(guī)劃法組合優(yōu)化法，即先全局尋優(yōu)再局部尋優(yōu)。這樣不但效率高，還避免陷入局部最優(yōu)解。

數(shù)值模擬全彈侵徹過程中，四個(gè)不同時(shí)刻的截圖如圖5所示。由圖可以看出，導(dǎo)彈在侵徹混凝土靶的過程中，前端破壞堆積在一起，因此對數(shù)據(jù)儲存器不但造成大過載，而且還會造成嚴(yán)重的擠壓碰撞，最大動應(yīng)力1GPa。這些對外殼的強(qiáng)度和剛度有較高的要求，外殼選用高強(qiáng)度合金鋼，內(nèi)殼主要是抗彎曲以減弱、消除附加應(yīng)力，選用強(qiáng)度高且質(zhì)輕的鋁合金。

圖5 數(shù)值模擬侵徹結(jié)果Fig.5 The results of simulating penetration

圖6為優(yōu)化前后電路板在整個(gè)侵徹過程中的最大動應(yīng)力變化曲線。由圖可以看出，優(yōu)化前電路板上的最大動應(yīng)力約110MPa，在對關(guān)鍵幾何尺寸及填充物質(zhì)優(yōu)化選材后，電路板最大動應(yīng)力約32MPa，降低了約70.9%；儲存器整體質(zhì)量降低了約300g，優(yōu)化效果顯著。

圖6 存儲板最大動應(yīng)力變化曲線Fig.6 The maximum dynamic stress curve of the storage board

3 侵徹實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將數(shù)據(jù)存儲器安裝試驗(yàn)彈中，以約160m／s速度侵徹某靶場磚混墻，完成了數(shù)據(jù)回收，見圖7～8。

圖7 侵徹后的靶Fig.7 The target after penetration

圖8 侵徹后的數(shù)據(jù)儲存器Fig.8 The data recorder after penetration

4 結(jié) 論

（1）運(yùn)用應(yīng)力波理論解決了狹小空間上的抗沖擊問題，使得存儲器各個(gè)部件的最大動應(yīng)力在它的強(qiáng)度許可范圍內(nèi)，并通過了炮擊實(shí)驗(yàn)。

（2）聯(lián)合Isight與Ls－dyna對非線性瞬態(tài)動力學(xué)問題進(jìn)行了優(yōu)化，使得被保護(hù)元件的最大動應(yīng)力降低了約70.9%，存儲器整體質(zhì)量降低了約300g。

（3）優(yōu)化域不但涉及幾何尺寸，還涉及填充材料本身性質(zhì)的優(yōu)化，得出了泡沫鋁與橡膠的復(fù)合減振結(jié)構(gòu)。

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