高過載數據儲存器緩沖隔振結構的優化設計＊

張 晶，賈宏光，郝相宇，周 凌

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

導彈飛行試驗階段中數據測試極其重要，常用的有兩種方法：一是無線搖感測法，另一種是回收遙測。前者系統復雜，測試成本昂貴，難以在反坦克導彈中應用，且存在黑障區；后者克服了無線遙感保密性差、傳輸速度慢、對環境條件要求較高的缺點，并且投資少、更新快、造價低而且組織飛行試驗簡單。因此，回收遙測在導彈試驗中取得了廣泛的應用。而回收遙測，是在最后彈射出落地或者跟隨導彈直接侵徹目標，最終一起回收的，尤其那些用于記錄導彈侵徹目標過程的數據儲存器，承受著復雜的侵徹沖擊加速度。在導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，受到彈體其他設備的擠壓碰撞而破壞。因此機械結構本身的抗沖擊、隔振性能顯得更加重要，對提高系統的可靠性和合理性起著重要的作用，直接影響數據回收能否成功［1］。

傳統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，無法解決狹小空間上的緩沖問題，且剛體模型不能準確描述彈性體各部分的實際受力狀況。本文中，應用應力波理論配置合理的阻抗比，兼顧緩沖與隔振去設計結構，不以降低過載加速度為指標，而選取降低最大動應力為目標，利用非線性軟件校核、優化，最終完成炮擊實驗的數據回收。

1 緩沖減振結構的初步設計

圖1 數據儲存器幾何結構Fig.1 The structure of the data recorder

儲存器在彈體侵徹靶體前一階段，主要承受隨機振動的干擾，侵徹過程中則存在著大振動、大沖擊，三明治復合結構在沖擊防護上有著明顯的優勢［2－3］，為了增強減振的能力，增加了吸振能力較強的硅橡膠，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。

應力波通過介質1向介質2的界面的透射系數T為［4］

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

前端圓弧無論在正碰還是側碰時受力狀態好，由式（1）可知，應力波從小截面向大截面傳遞時，存在反射衰減；挖空處，不但能減輕質量，還能阻止應力波的傳遞。通過緩沖濾波物質、減振墊可以濾波減振，芯片板灌封加固在內殼中，灌封物質也能起到濾波減振的作用。

2 緩沖減振結構的優化設計

根據應力波傳遞理論，優化配置材料阻抗比，以降低數據存儲芯片的最大動應力為目標，建立導彈侵徹的有限元模型，聯合Isight與Ls－dyna完成數據儲存器緩沖減振結構的優化設計。

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］，在建立侵徹模型時進行合理的簡化，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、螺釘等），最后再加上配重質量塊，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強度模型，混凝土靶選取Johnson－Homquist本構模型。

2.2 儲存器有限元模型的建立

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

2.3 Isight與Ls－dyna的聯合優化

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，其中泡沫鋁的緩沖性能最佳，橡膠減振性能優越［8－9］。據此利用Isight與Ls－dyna，不僅對關鍵幾何尺寸（前端圓弧R、內部圓弧r、外殼腔壁厚T、端蓋厚度t、外殼內腔長度L、緩沖物厚度d1、內殼厚度d0和緩沖物厚度d2）進行了優化，還對材料性能（泡沫鋁、橡膠和毛氈）進行了選擇優化，對不同應力平臺區的泡沫鋁及不同硬度的橡膠進行了阻抗匹配優化選擇。在整個侵徹過程中，增強了應力波的反射和衰減，使傳遞到存儲板上的最大動應力最小。將其他部件的強度極限作為約束條件，并對優化變量進行了靈敏度篩選，對造成最大動應力的因素進行了區分，以提高優化功效。

圖4 Isight與Ls－dyna優化模塊Fig.4 The optimization module for Isight and Ls－dyna

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

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

圖5 數值模擬侵徹結果Fig.5 The results of simulating penetration

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

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

3 侵徹實驗驗證

將數據存儲器安裝試驗彈中，以約160m／s速度侵徹某靶場磚混墻，完成了數據回收，見圖7～8。

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

圖8 侵徹后的數據儲存器Fig.8 The data recorder after penetration

4 結 論

（1）運用應力波理論解決了狹小空間上的抗沖擊問題，使得存儲器各個部件的最大動應力在它的強度許可范圍內，并通過了炮擊實驗。

（2）聯合Isight與Ls－dyna對非線性瞬態動力學問題進行了優化，使得被保護元件的最大動應力降低了約70.9%，存儲器整體質量降低了約300g。

（3）優化域不但涉及幾何尺寸，還涉及填充材料本身性質的優化，得出了泡沫鋁與橡膠的復合減振結構。

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