存储测试模块抗高冲击结构设计研究*

孟令军，赵盼盼（　中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原　03005；2　中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原　03005）

存储测试模块抗高冲击结构设计研究*

孟令军1，2，赵盼盼1
（1中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051）

通过分析高过载条件下存储测试模块的侵彻破坏机理及其缓冲防护原理，并对撞击过程进行动态模拟，分析电路板所受最大应力及衰减情况，从而得出关于存储模块的微型化设计，根据牛顿第二定理建立了存储模块的波动方程，研究了应力波在变截面体的传播规律，得出应力波的传递特性。与传统的存储结构进行分析比较，并进行炮击试验，得到最大加速度值约40 000g，传统结构最大加速度值约60 000g，该结构具有更高的缓冲性能与抗冲击性。

存储测试模块；缓冲防护；应力波；波动方程

0　引言

导弹在发射以及侵彻过程中，承受着瞬时、高能、强冲击，侵彻过程产生的应力波幅值最大可达数万g。当弹体与硬目标碰撞时，会引起电路板破坏甚至变形，致使数据不能正常回读［1］。为了保证存储设备能够正常工作并且成功的回收数据，存储测试装置不但要求能够长时间采集并记录实验数据，而且必须满足高过载条件下的抗高冲击要求［2］。

弹体侵彻目标靶的过程等效于给弹体施加了一个冲击，由于加载速率很快，在弹体中将产生弹塑性应力波的传播［3］，在着靶的瞬间，弹体及测试装置经受了猛烈的振动和冲击过程，从而引起弹体内各点的应力、位移、速度、加速度发生快速变化。分析侵彻过程中的应力变化曲线，验证存储结构的缓冲性能。

1　结构设计

防护结构设计的关键就是为了降低数据存储模块的动能并衰减碰撞应力波［4-5］。存储模块保护装置见图1所示。图1（a）为存储模块保护装置原理示意图，图1（b）为灌封后的存储模块保护装置。

结构采取球形底端、柱形壳体设计。根据变截面应力波传递理论，将壳体底端设计成球形底端，应力波从小截面向大截面传递时，存在应力波衰减。

2　缓冲机理

2.1应力波传递理论

应力波在变截面体中传播时，应力波的强度会随着截面面积的增大而衰减［6］。根据一维应力平面波理论，当强间断弹性波从小端面向大端面传播时，截面积间断面之间将发生应力波的反射和透射。间断截面两侧总作用力相等、速度连续，如方程（1）所示：

式中：σi、σT、σR分别为入射波、透射波及反射波的应力幅值；Vi、VT、VR分别为入射波、透射波及反射波的质点速度幅值；A1、A2为间断面两侧截面积；c0、ρ0为弹性纵波波速和壳体质量密度；［σ］、［V］为波后波前应力差和质点速度差。由式（2）得透射波：

所以透射系数为：

当应力波由小端面向大端面传播时，T＜1，透射应力波幅值小于入射应力波幅值，即应力波存在衰减，存储结构的球形底端起到了缓冲作用。

图1　存储测试装置

2.2建立波动方程

建立坐标系，原点o位于球形底端，ox为动坐标系，见图2所示，沿底端竖直方向，沿ox方向取微元体dx，微段的运动方程如式（4）所示：

式中：e是应力；A为 x处的横截面面积，其中A= 2chxtanT，因此式（4）又可表示为：

在高冲击条件下，侵彻瞬间应力大于屈服极限，因此以下分析只考虑塑性阶段。假定应力与应变呈线性函数且塑性阶段为线性硬化，即e=E1x，其中E1为材料常数，C2=E1/d，f（t）=-mp¨z。得波动方程：

采用有限差分法求得位移的数值解后，进一步求得应力的一系列数值解。画出应力的分布曲线，分析应力波在存储模块中的传播特性，可以看出应力波在传递的过程中逐步衰减。

图3　应力波衰减曲线

3　模型动态模拟

在高过载、强冲击条件下，存储结构的大小、形状、质量及其密度都将影响测试系统是否能成功回收数据［2］。假如某一零件的质量为1 kg，则在105g的加速度作用下，所受到的与加速度方向相反惯性力为：

质量由密度和体积决定，可见在相同材料确定的情况下，体积越大，系统的强度越弱，所以对防护结构采取微型化设计。

对该设计结构进行动态模型分析，取中间电路板上几点，分析其所受应力，应力曲线如图4（a）所示，与平底式存储模型进行对比分析，取相同各点，分析结果如图4（b）所示。

在实际的弹体结构中，存储器与外壳之间加有球形缓冲垫等，构成面接触，而非点接触，根据这一实际情况，进行动态模拟分析，分析结果如图4（c）所示。

以上三种结构模型电路板所受最大应力均在安全范围内，对比电路板所受最大应力及衰减情况，得出球形底端存储结构的缓冲效果。

图4　电路板处应力曲线图

4　炮击试验

试验条件：加农炮在约100 m距离上侵彻2.5 m ×2.5 m×1.5 m的钢筋混凝土靶。侵彻测试中，炮弹穿过钢筋混凝土靶板，由天幕靶测速。1#炮弹出炮口的速度为 742.4 m/s，2#炮弹出炮口的速度为756.5 m/s，分别对应球形底端存储器和平底式存储器。在实际弹体装配中，两个存储器的其他条件（如防护外壳，灌胶情况，电路板芯片布局情况等）均相同。

试验结果：弹体完好，存储器读数正常，回读传感器数据并进行分析，分析结果见图5所示。

图5（a）、图5（b）均为滤波后传感器输出信号，分析结果如表1所示。

表1　信号分析结果

图5　加速度信号曲线

5　结论

在高过载条件下，能够获得准确、可靠的测试数据是当前存储测试模块研究的重点，而成功回收数据、缓冲防护是关键，根据变截面应力波的传递理论，设计一种新的存储测试结构，旨在从结构设计本身加强其缓冲防护能力。通过LS-DYNA对其模型进行动态仿真分析，分析其应力传播特性，最终进行炮击试验，回收数据，得到理想效果。

［1］姬永强，李映辉，聂飞.弹载数据存储模块抗高过载防护技术研究［J］.振动与冲击，2012，31（18）：104 -106.

［2］刘俊，石云波，游春.高过载测试中结构防护模型研究［J］.测试技术学报，2005，19（3）：249-253.

［3］刘晓鹏，石云波，朱政强.应力波在弹体侵彻靶板中的传播特性研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（8）：557 -559.

［4］徐鹏，范锦彪，祖静，等.高g值冲击下存储测试电路模块缓冲保护研究［J］.实验力学，2005，20（4）：610 -614.

［5］吴晓莉，张河.高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及措施研究［J］.包装工程，2004，25（1）：44-46.

［6］姚磊，李永池.应力波在变截面体中的传播特性［J］.爆炸与冲击，2007，27（4）：345-347.

［7］鲍爱达，陈员娥，李长龙，等.弹载加速度记录仪在冲击环境下的失效研究［J］.振动与冲击，2012，32 （13）：82-85.

Anti-impact Design for Storage Test Module

MENG Lingjun1，2，ZHAO Panpan1
（1Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；2National Key Laboratory of Electronic Measurement Techndogy，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on analysis on penetration failure mechanism and buffering protection principles of storage test module under high-overload and dynamic simulation on impact，the maximum stress which circuit board suffered from and its attenuation were analyzed，accurate data and some conclusions about structure miniaturization were got.According to Newton’s second theorem，the wave equation of the module was established and the stress wave propagation in variable sections was acquired.Compared with traditional structures by means of shelling，the maximum acceleration of the proposed is about 40 000 while that of the traditional is about 60 000，from those experimental results，it can be concluded that the proposed structure in this paper has higher cushioning properties and impact resistance.

storage test module；buffering protection；stress wave；wave equation

TP202

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.035

2015-01-28

国家自然科学基金（50975266）；国家自然基金重大研究计划（91123036）资助

孟令军（1969-），男，山东青岛人，副教授，硕士研究生导师，研究方向：集成测量系统及仪器、微纳仪器及测试技术。