李 沅，李 凱，王曉飛，韓 焱

（1.中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

隨著電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在國(guó)防領(lǐng)域，伴隨著制導(dǎo)電子設(shè)備的小型化、高性能以及高可靠性的發(fā)展趨勢(shì)，制導(dǎo)電子設(shè)備已經(jīng)成為武器裝備系統(tǒng)智能化和信息化的關(guān)鍵因素［1-3］.制導(dǎo)電子設(shè)備在彈載系統(tǒng)中會(huì)受到各種機(jī)械力的干擾，這些機(jī)械力包括振動(dòng)、沖擊、離心力和摩擦力，其中振動(dòng)和沖擊是引起電子設(shè)備故障的主要因素［4］.有研究結(jié)果表明：由振動(dòng)和沖擊引起的電子系統(tǒng)的失效比例高達(dá)50%～60%［5］.彈載制導(dǎo)電子系統(tǒng)在裝載和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生12g以下的振動(dòng)，在發(fā)射過(guò)程中，電子設(shè)備承受瞬時(shí)高強(qiáng)度沖擊，此時(shí)過(guò)載狀態(tài)下的加速度通常為數(shù)千g，最高可達(dá)10 000g以上，對(duì)于侵徹類(lèi)引信，其沖擊加速度可達(dá)100 000g以上.普通的電子器件一般只能承受幾十個(gè)g的過(guò)載加速度［6］，因此彈載電子系統(tǒng)的抗振動(dòng)與抗高過(guò)載沖擊技術(shù)是炮彈制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一.

目前，提高彈載電子系統(tǒng)的抗振動(dòng)能力是通過(guò)提高電路板的固有頻率，以減小其共振的幾率.抗高過(guò)載的主要方法是灌封，采用動(dòng)態(tài)性能較好的灌封材料對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)電路進(jìn)行灌封，使其固化成模塊.

本研究提出了制導(dǎo)電子系統(tǒng)在振動(dòng)與沖擊環(huán)境下的損傷機(jī)理.制導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件為PCB 電路，所以本文著重分析PCB 電路的抗振動(dòng)和抗沖擊性能.電路板微型化設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的固有頻率，減小系統(tǒng)的疲勞效應(yīng)［7］.同時(shí)，為使某彈載制導(dǎo)電子系統(tǒng)可以承受10 000g的瞬時(shí)高過(guò)載沖擊，應(yīng)用了灌封技術(shù)、隔振技術(shù)和多層介質(zhì)吸收技術(shù)的綜合設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的抗沖擊能力［8-9］.通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析和高沖擊瞬態(tài)分析，為彈載制導(dǎo)電子設(shè)備的抗振動(dòng)與抗沖擊設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考方法.

1 抗振動(dòng)和高沖擊設(shè)計(jì)

1.1 彈載制導(dǎo)電子系統(tǒng)損傷機(jī)理

制導(dǎo)電子系統(tǒng)在運(yùn)輸和上膛的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生頻率在2kHz以下的振動(dòng)，若系統(tǒng)的固有頻率小于2kHz，極有可能產(chǎn)生大振幅共振；在發(fā)射和侵徹過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷高溫、高沖擊等惡劣環(huán)境，該過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力波過(guò)載的幅值最大可達(dá)數(shù)萬(wàn)g，使制導(dǎo)電子系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重變形.這些現(xiàn)象都會(huì)造成制導(dǎo)電子系統(tǒng)功能的失效.

振動(dòng)和高沖擊對(duì)制導(dǎo)電子系統(tǒng)的破壞方式有兩種［10］：①外部激勵(lì)的頻率與電子設(shè)備的固有頻率接近，產(chǎn)生振幅很大的共振，最終由于振動(dòng)加速度超過(guò)電子設(shè)備的極限加速度或者沖擊力超過(guò)設(shè)備的極限強(qiáng)度使電子設(shè)備破壞；②雖然振動(dòng)加速度和沖擊力沒(méi)有達(dá)到極限值，但是由于長(zhǎng)期的振動(dòng)與沖擊使設(shè)備產(chǎn)生疲勞破壞.

為了確保彈載系統(tǒng)電子設(shè)備能夠正常工作，根據(jù)電子設(shè)備的破壞方式，提出兩種方法來(lái)提高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能：①提高電子設(shè)備的固有頻率，減少共振；②增大電子設(shè)備的強(qiáng)度，增加隔振緩沖裝置，提高抗沖擊能力.

1.2 制導(dǎo)電子系統(tǒng)的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)Steinberg 公式［11］，得出制導(dǎo)電子設(shè)備的最大振幅和其固有頻率存在下列關(guān)系：

式中：fn為PCB電路的固有頻率；Gout為PCB 電路最大振幅處的加速度，單位取g，Gout＝GinQ；Gin為激勵(lì)載荷的加速度，單位g；Q為PCB 的激勵(lì)傳遞率，且

由式（1）可知，為減小最大振幅，就要提高系統(tǒng)的固有頻率.微型化結(jié)構(gòu)具有較高的剛度和強(qiáng)度，其固有頻率較高，因此使用貼片式電子元件，以減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積.同時(shí)，在不影響電路性能的條件下，使電路板的質(zhì)量均勻分布，不僅能提高固有頻率，還可以防止電子系統(tǒng)集中受力.

1.3 制導(dǎo)電子系統(tǒng)抗沖擊設(shè)計(jì)

為使彈載制導(dǎo)電子系統(tǒng)抗沖擊能力達(dá)到10 000g，本研究從灌封技術(shù)、隔振技術(shù)和多層介質(zhì)吸收技術(shù)三方面設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)抗沖擊能力.

1.3.1 灌封緩沖原理

灌封技術(shù)是對(duì)制導(dǎo)電子系統(tǒng)進(jìn)行的一種無(wú)孔整體包裝，使其固化成模塊，是利用材料彈塑性變形和阻尼作用吸收能量的過(guò)程.圖1 為灌封材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，包含三個(gè)階段：彈性變形、屈服平臺(tái)、材料壓實(shí).材料在壓實(shí)前要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)，這個(gè)性質(zhì)決定了灌封材料的緩沖吸能性質(zhì)，并且材料的屈服平臺(tái)值比較小，材料在被壓實(shí)前不會(huì)傳遞高于平臺(tái)值的力；由于灌封材料具有粘彈效應(yīng)和橫向慣性效應(yīng)，使得應(yīng)力波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用.聚氨酯材料硬度低、彈性好、粘結(jié)力強(qiáng)、電性能好，同時(shí)具有優(yōu)良的絕緣、絕熱和防腐性能，因此選擇聚氨酯作為灌封材料.

圖1 灌封材料應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Encapsulating material＇s stress-strain curve

1.3.2 隔振器緩沖原理

應(yīng)用隔振技術(shù)設(shè)計(jì)隔振器，使隔振器能夠存儲(chǔ)沖擊作用時(shí)的能量，沖擊結(jié)束后存儲(chǔ)的能量以自由衰減的形式釋放出來(lái).隔振器可以分為金屬類(lèi)、橡膠類(lèi)和空氣類(lèi)，本結(jié)構(gòu)中選擇橡膠材料和泡沫鋁作為隔振器.橡膠材料剛度低，重量輕，阻尼大，能吸收較多的沖擊能量.泡沫鋁具有很高的孔隙率，其組織結(jié)構(gòu)不均勻，應(yīng)變滯后于應(yīng)力，在應(yīng)力應(yīng)變曲線中有一個(gè)很長(zhǎng)的平直線段，因而它是一種具有高能量吸收特性的輕質(zhì)、高阻尼材料.同時(shí)，由于沖擊波在不同介質(zhì)的界面?zhèn)鞑r(shí)，必然會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這導(dǎo)致了能量的衰減.因此，可以采用多層多種介質(zhì)吸收技術(shù)來(lái)加強(qiáng)隔振效果.在設(shè)計(jì)隔振器時(shí)，使用橡膠材料和泡沫鋁交替迭加，作為傳感器的隔振器.

2 彈載制導(dǎo)系統(tǒng)仿真

2.1 模型基本假設(shè)和建立

制導(dǎo)系統(tǒng)為直徑50mm，厚度50mm 的圓柱形結(jié)構(gòu)，兩種隔振器為直徑50mm，厚度10mm的圓柱形結(jié)構(gòu).本文采用有限元軟件ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真和瞬態(tài)沖擊仿真［12-13］，模型的計(jì)算基于以下基本假設(shè)：所有的材料為均勻連續(xù)介質(zhì)；電路板焊點(diǎn)的強(qiáng)度較高，建模比較復(fù)雜，本文省略焊點(diǎn)的建模；小元器件由于體積和質(zhì)量較小，可利用總質(zhì)量等效法將小元件的質(zhì)量等布在電路板上；沖擊過(guò)程為絕熱過(guò)程.

隔振器和灌封材料使用超彈性單元Solid185，鋁制外殼和制導(dǎo)電子系統(tǒng)采用三維實(shí)體單元Solid45，橡膠材料和灌封材料為Mooney-Rivilin 模型，泡沫鋁為雙線性等向強(qiáng)化的線性強(qiáng)化彈塑性材料.制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)體模型如圖2 所示.

圖2 制導(dǎo)系統(tǒng)整體模型Fig.2 Guidance system＇s whole model

2.2 電子線路模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，它的目的是確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，模態(tài)分析的結(jié)果對(duì)動(dòng)力學(xué)分析有較大的指導(dǎo).通過(guò)ANSYS 模態(tài)分析可以確定電子線路的固有頻率，表1 為制導(dǎo)電子設(shè)備的前6階固有頻率值.圖3 為制導(dǎo)電子設(shè)備的前6階振型.在彈載系統(tǒng)中電子設(shè)備的振動(dòng)頻率范圍一般為20～2 000Hz［14］，前6階固有頻率均大于電子設(shè)備的振動(dòng)頻率，所以該電子系統(tǒng)能很好地抑制共振.

表1 制導(dǎo)電子系統(tǒng)的固有頻率Tab.1 Guidance electronic system＇s natural frequency

圖3 制導(dǎo)系統(tǒng)前6階振型Fig.3 The first six order vibration mode of guidance system

2.3 彈載制導(dǎo)系統(tǒng)沖擊仿真

制導(dǎo)系統(tǒng)要承受10 000g 的瞬態(tài)沖擊載荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJBZ50.18-86中規(guī)定，軍用設(shè)備的沖擊試驗(yàn)方法，適用于軍用設(shè)備中常用的沖擊脈沖為半正弦波沖擊脈沖與鋸齒脈沖［15］.由于半正弦波脈沖更接近實(shí)際載荷，本文使用半正弦波脈沖，峰值為10 000g，脈沖時(shí)間為11ms.

由于ANSYS不能直接加載瞬態(tài)加速度載荷，研究人員通常對(duì)加速度載荷作兩次積分得到?jīng)_擊位移曲線，作為位移載荷施加在模型上.這種加載方法有兩點(diǎn)不足［15］：①此方法得到的位移曲線為系統(tǒng)整體位移，而研究人員所關(guān)心的為系統(tǒng)相對(duì)位移；②實(shí)際的沖擊載荷作用結(jié)束后，系統(tǒng)作有阻尼的衰減振動(dòng)，但是在仿真中沖擊結(jié)束后位移持續(xù)增加，與實(shí)際情況不符.為了克服上述兩個(gè)缺點(diǎn)，本文使用等效慣性力載荷代替等效位移載荷.首先提取系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，再根據(jù)F＝ma得出等效慣性力.

通過(guò)時(shí)間歷程后處理器POST26可以查看模型指定節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和位移相對(duì)于時(shí)間的變化.圖4 為最大應(yīng)力處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，圖5為最大位移處的節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線.可以得出制導(dǎo)電子設(shè)備的最大應(yīng)力和最大位移都發(fā)生在6.2ms 時(shí)刻，峰值脈沖比載荷的峰值滯后了0.7ms.使用通用后處理器POST1 可以得出在t＝6.2ms時(shí)，制導(dǎo)電子設(shè)備的應(yīng)力和位移的云圖.如圖6 所示，最大應(yīng)力發(fā)生在4個(gè)螺孔位置附近和電子元件與PCB 板連接部位，其最大值為58.2 MPa，而 PCB 電路板的許用應(yīng)力為196 MPa，因此制導(dǎo)電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞.如圖7所示，最大位移發(fā)生在某一個(gè)電子元件的頂端，其最大值為0.011 5 mm.根據(jù)Lauetal判據(jù)［16］：當(dāng)PCB 的最大振幅大于1.5 mm 時(shí)，PCB上的表貼元件的引腳會(huì)發(fā)生疲勞失效.而本結(jié)構(gòu)的最大變形量?jī)H為0.011 5mm，在允許值范圍內(nèi).

圖4 等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Equivalent stress curve changes over time

圖5 位移隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Displacement curve changes over time

圖6 t＝6.2ms時(shí)制導(dǎo)電子設(shè)備等效應(yīng)力云圖Fig.6 Guidance electronic equipment＇s equivalent stress nephogram when the time of 6.2ms

圖7 t＝6.2ms時(shí)制導(dǎo)電子設(shè)備位移云圖Fig.7 Guidance electronic equipment＇s diaplacement nephogram when the time of 6.2ms

3 抗過(guò)載實(shí)驗(yàn)

使用馬謝特錘實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彈載制導(dǎo)系統(tǒng)的抗過(guò)載能力，最大的沖擊加速度大約為10 000g，如圖8 所示.沖擊實(shí)驗(yàn)之后使用小磁體在傳感器附近做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采集磁信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁傳感器可以采集磁信號(hào)，傳感器結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞.圖9 所示為采集的磁信號(hào)數(shù)據(jù).

圖8 10 000g沖擊加速度載荷Fig.8 10 000g shock acceleration load

圖9 磁傳感器輸出Fig.9 Magnetic sensor＇s output

4 結(jié)論

1）針對(duì)彈載制導(dǎo)系統(tǒng)的受力環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)振動(dòng)與沖擊對(duì)系統(tǒng)不同的破壞方式，從灌封技術(shù)、隔振技術(shù)和多層介質(zhì)吸收技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了分析，對(duì)彈載制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了抗振動(dòng)和高過(guò)載沖擊設(shè)計(jì).

2）采用ANSYS軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和沖擊分析，模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果表明：系統(tǒng)的一階固有頻率為5 485.3 Hz，高于軍用電子設(shè)備的最大振動(dòng)頻率，因此不會(huì)發(fā)生大振幅的共振.瞬態(tài)沖擊分析結(jié)果表明：最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺孔位置，其值為58.2 MPa，最大位移為0.011 5mm，表明該系統(tǒng)可以承受10 000g 過(guò)載沖擊，而結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞.

3）ANSYS有限元的設(shè)計(jì)方式取代了傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-設(shè)計(jì)”的循環(huán)模式，極大地提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了成本.本研究的設(shè)計(jì)方法同樣適用于其他各種引信的振動(dòng)與沖擊設(shè)計(jì).

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