王海霞，尤文斌，周優(yōu)良，丁永紅，穆希輝

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引言

彈體在發(fā)射與撞擊目標(biāo)過(guò)程中，彈載記錄儀需要承受極高g值的加速度載荷[1]，如何可靠地獲取數(shù)據(jù)一直是彈載記錄儀的研究重點(diǎn)[2-4]。文獻(xiàn)[5]使用泡沫鋁材料對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試電路進(jìn)行緩沖保護(hù)，提高了數(shù)據(jù)的捕獲率與電路模塊的重復(fù)使用次數(shù)，但是對(duì)記錄儀的使用壽命并未進(jìn)行研究。在火炮引信參數(shù)測(cè)試、炮射導(dǎo)彈飛控參數(shù)測(cè)試等低成本彈藥研發(fā)過(guò)程中，彈載記錄儀需要多次使用，而彈載記錄儀的應(yīng)用環(huán)境特殊，因彈體的著地環(huán)境隨機(jī)性較大，著地過(guò)程承受的沖擊載荷變化很大，可達(dá)幾百個(gè)g甚至上萬(wàn)個(gè)g的加速度沖擊載荷。目前因缺乏針對(duì)彈載記錄儀使用壽命評(píng)估的有效方法，只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷記錄儀使用后的可靠性， 針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于累積損傷的彈載記錄儀壽命評(píng)估方法。

1 仿真模型與失效判定依據(jù)

1.1 記錄儀有限元仿真模型的建立

1.1.1創(chuàng)建幾何模型

利用ANSYS仿真軟件建立了某載有存儲(chǔ)記錄儀的彈體垂直撞擊半無(wú)限長(zhǎng)C20混凝土模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，彈體內(nèi)部構(gòu)成如圖2所示。由于彈體和記錄儀均可視為中軸對(duì)稱(chēng)，為了減少計(jì)算量，采用1/4模型進(jìn)行分析計(jì)算，單元類(lèi)型選擇SOLID164三維實(shí)體單元，使用單點(diǎn)積分Lagrange算法計(jì)算。

圖1 彈體侵徹1/4模型Fig.1 Projectile Penetration 1/4 Model

圖2 彈體內(nèi)部構(gòu)成圖Fig.2 internal composition of the projectile

1.1.2材料參數(shù)的選擇

仿真模型中，彈體、記錄儀外殼、內(nèi)殼及電路板采用PLASTIC_KINEMATIC本構(gòu)模型，相關(guān)材料參數(shù)選擇如表1[6-9]。

表1 材料模型參數(shù)

記錄儀內(nèi)外殼之間的隔離減振墊選用橡膠材料，屬超彈性材料，仿真時(shí)選擇MOONEY-RIVLIN_RUBBE本構(gòu)模型，ρ為1 150 kg/m3,μ為0.499，Mooney-Rivlin常數(shù)c10、c01分別為2 MPa、0.5 MPa。

灌封體選用MAT_VISCOELASTIC本構(gòu)模型，ρ選取1 082 kg/m3，BULK體積彈性模量為1.70×109Pa，初始剪切模量為1.00×109Pa，終了剪切模量為5.0×108Pa。

混凝土靶選用抗拉抗壓強(qiáng)度為20 MPa的C20混凝土，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，選用PLASTIC_KINEMATIC模型，ρ為2 100 kg/m3,E為3.00×1010Pa，μ為0.18，屈服應(yīng)力為20 MPa。

1.1.3施加約束及載荷

對(duì)模型邊界施加約束，使模型在受力時(shí)，對(duì)稱(chēng)面上的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生垂直于力方向上的位移；在混凝土靶外邊界施加非反射邊界條件，使得其變形不受混凝土靶半徑影響，約束后的模型如圖3所示。

圖3 施加約束后模型Fig.3 Model after applying constraints

約束完成后對(duì)仿真模型施加載荷，對(duì)除混凝土靶以外的彈丸模型整體定義速度從而達(dá)到改變侵徹載荷的目的。計(jì)算累積損傷時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和形變的傳遞，采用完全重啟動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)，具體做法是在K文件中添加STRESS_INITIALIZATION關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。

GP Ⅱb/Ⅲa受體拮抗劑是血小板通過(guò)纖維蛋白原與GP Ⅱb/Ⅲa受體相結(jié)合，使相鄰的血小板結(jié)合在一起，是血小板聚集的“共同最后通路”。美國(guó)已批準(zhǔn)使用三種靜脈GP Ⅱb/Ⅲa受體拮抗劑(單克隆抗體阿昔單抗、肽類(lèi)抑制劑埃替非巴肽以及非肽類(lèi)抑制劑替羅非班)，可使急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者的臨床事件下降35%～50%。應(yīng)用GP Ⅱb/Ⅲa抑制劑所要考慮的主要問(wèn)題之一是藥物種類(lèi)?，F(xiàn)有的臨床試驗(yàn)證據(jù)支持阿昔單抗和埃替非巴肽適用于PCI患者抗栓治療，而埃替非巴肽和替羅非班則被批準(zhǔn)應(yīng)用于NSTEACS患者。而我國(guó)替羅非班主要應(yīng)用于AMI血栓負(fù)荷較重或可能發(fā)生血管再閉塞的患者。

1.2 記錄儀失效判定依據(jù)分析

1.2.1記錄儀失效模式及失效機(jī)理

彈載記錄儀在著地過(guò)程承受的沖擊載荷變化很大，可達(dá)幾百甚至上萬(wàn)個(gè)g的加速度沖擊載荷。記錄儀在高過(guò)載下的失效模式主要是外殼失效和電路體失效[4]。

外殼的失效主要是由于記錄儀的外殼因塑性變形而引起的層裂。彈體在著地時(shí)，由于慣性作用，記錄儀的內(nèi)殼體壓縮緩沖材料，在內(nèi)殼體的末端形成自由面。壓縮的應(yīng)力波在內(nèi)殼體末端發(fā)生反射，壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，當(dāng)超過(guò)殼體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，外殼體的表面層會(huì)發(fā)生變形，甚至出現(xiàn)裂紋[10]。外殼體的屈曲變形，會(huì)壓縮記錄儀的內(nèi)部空間，對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生擠壓，使內(nèi)部電路變形，導(dǎo)致內(nèi)部電路失效。

電路體的常見(jiàn)失效模式有印制電路板失效、元器件失效、導(dǎo)線失效等[4]。印制電路板的主要失效模式有：斷路、短路引起的信號(hào)傳送終止，瞬間短路或瞬間突變引起的信號(hào)中斷，漏電流、阻抗增大而引起的信號(hào)改變等，其失效原因與基材、布線、焊料、器件以及存放使用情況密切相關(guān)[11]。造成元器件失效的原因有：芯片的薄弱部位受到的應(yīng)力超過(guò)自身強(qiáng)度極限而造成芯體破碎；因疲勞、過(guò)應(yīng)力而引起的芯片管腳斷裂，應(yīng)力作用下導(dǎo)致塑封材料出現(xiàn)裂痕等。導(dǎo)線的主要失效模式是斷裂，多發(fā)生于導(dǎo)線的活動(dòng)部分以及不可活動(dòng)部分連接部位[4]，而記錄儀的電路體被灌封后，導(dǎo)線失效的情況極少發(fā)生。

1.2.2記錄儀的失效判定依據(jù)

為了簡(jiǎn)化分析模型，仿真時(shí)不考慮焊點(diǎn)、芯片等細(xì)節(jié)，分析由印制電路板失效而導(dǎo)致的記錄儀失效情況。當(dāng)高沖擊載荷作用于彈體時(shí)，記錄儀受到軸向沖擊，會(huì)造成電路板發(fā)生彎曲變形，這極有可能導(dǎo)致電路板上導(dǎo)線短路、斷路、元器件引腳斷裂等而使測(cè)試失敗。

參考印制電路板的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法，當(dāng)電路板的弓曲大于0.75%時(shí)，印制電路板不可使用[12]。在這里，當(dāng)電路板的弓曲大于0.5%時(shí)，即認(rèn)為電路板失效。

(1)

(2)

因此，在仿真計(jì)算時(shí)認(rèn)為測(cè)試電路任一網(wǎng)格的等效塑性應(yīng)變達(dá)到0.083時(shí)，記為εmax，則認(rèn)為記錄儀失效。

2 基于累積損傷壽命評(píng)估方法

累積損傷計(jì)算核心是將一次沖擊后的等效塑性應(yīng)變、等效應(yīng)力作為下一次沖擊計(jì)算的初始狀態(tài)，依次這樣重復(fù)計(jì)算得到彈載測(cè)試儀在多次沖擊載荷作用下累積損傷后的等效塑性應(yīng)變值。

在ANSYS/LS-DYNA運(yùn)行環(huán)境下的彈載測(cè)試儀累積損傷的流程如圖4所示。

圖4 彈載記錄儀壽命預(yù)測(cè)流程圖Fig.4 life prediction flow chart of missile-borne logger

具體步驟如下：

1)建立彈載記錄儀仿真模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束條件。

2)施加載荷，計(jì)算求解后，獲取應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。第1次沖擊時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是無(wú)初始損傷的，當(dāng)沖擊次數(shù)大于1時(shí)，采用狀態(tài)參量傳遞的方法將第上一次的沖擊載荷下得到的等效應(yīng)力以及等效塑性應(yīng)變結(jié)果，作為下一次計(jì)算的初始狀態(tài)。

3)由失效判定依據(jù)判斷記錄儀是否失效，若記錄儀已經(jīng)失效，則順序執(zhí)行4)，否則跳轉(zhuǎn)到2)。

4)獲取某一沖擊載荷作用下記錄儀不失效的情況下可使用的次數(shù)N。

3 仿真結(jié)果及驗(yàn)證

3.1 記錄儀一次壽命抗沖擊值

經(jīng)過(guò)大量仿真，并且結(jié)合此結(jié)構(gòu)的彈載記錄儀在實(shí)驗(yàn)中可承受載荷的經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)給予彈體1 650 m/s的初速度侵徹混凝土靶，沖擊所產(chǎn)生的加速度曲線如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，沖擊加速度的最大峰值約為55 000g，隨后不斷減小，直至減小到0。在此撞擊過(guò)程中，電路體上最大應(yīng)力單元為H2785和H2748(不考慮橫向放置的電路板)，單元位置如圖5(b)所示。

提取H2785和H2748單元的等效塑性應(yīng)變曲線，如圖5(c)所示，對(duì)應(yīng)的等效塑性應(yīng)變分別為0.064 7和0.068。當(dāng)再次給模型施加55 000g的沖擊載荷時(shí)，電路體上最大的等效塑性應(yīng)變達(dá)到0.094，大于εmax，此時(shí)彈載記錄儀失效。因此，當(dāng)?shù)刃謴丶铀俣葹?5 000g時(shí)，記錄儀的壽命N等于1。

圖5 等效加速度為55 000 gFig.5 equivalent acceleration is 55 000 g

3.2 恒定沖擊載荷下的壽命評(píng)估

仿真時(shí)，通過(guò)改變彈體侵徹混凝土靶的速度，在彈體上獲取40 000g、32 000g、22 500g、10 000g的等效加速度載荷，并以這些載荷沖擊混凝土靶直至記錄儀失效。

當(dāng)彈體以1 350 m/s的初速度撞擊土靶時(shí)，產(chǎn)生的加速度峰值約為40 000g，得到如圖6(a)所示的加速度曲線,圖6(b)所示是電路板上兩個(gè)H2785、H2789(分別位于左電路板與右電路板處)最大應(yīng)力單元對(duì)應(yīng)的累積等效塑性應(yīng)變曲線。由圖6(b)可知，經(jīng)過(guò)連續(xù)2次沖擊后等效塑性應(yīng)變的最大值達(dá)0.082，小于εmax。但是若再以40 000g的加速度沖擊，很顯然記錄儀會(huì)失效。因此，當(dāng)?shù)刃謴丶铀俣葹?0 000g時(shí)，記錄儀的壽命N為2。

圖6 等效加速度為40 000 gFig.6 equivalent acceleration is 40 000 g

類(lèi)似地，當(dāng)彈體以1 050 m/s、750 m/s、450 m/s的初速度侵徹混凝土靶時(shí)，分別獲取約32 000g、22 500g、10 000g的等效加速度載荷，對(duì)應(yīng)的壽命N為3，4，6。

圖7(a)、圖7(b)是以彈體以450 m/s的初速度連續(xù)沖擊時(shí)的加速度曲線和電路板上兩個(gè)最大應(yīng)力單元H2752、H2769(分別位于左電路板與右電路板處)對(duì)應(yīng)的累積等效塑性應(yīng)變曲線，可以看出當(dāng)沖擊到第7次時(shí)，應(yīng)變的最大值已經(jīng)達(dá)到0.091 4，此時(shí)記錄儀已失效。

分析各累積等效塑性應(yīng)變曲線，每條曲線都表示了在恒定沖擊加速度載荷作用下應(yīng)變累積的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)彈載記錄儀內(nèi)部電路板第一次沖擊產(chǎn)生的等效塑性應(yīng)變較大，后續(xù)每次沖擊產(chǎn)生的塑性應(yīng)變逐漸減小。

圖7 等效加速度為10 000 gFig.7 Equivalent acceleration is 10 000 g

3.3 彈載記錄儀的壽命預(yù)測(cè)曲線

將加速度載和和記錄儀的抗沖擊次數(shù)進(jìn)行匯總分析，并利用冪函數(shù)擬合的方法得到如圖8所示的彈載記錄儀的加速度-壽命預(yù)測(cè)曲線。其中，縱坐標(biāo)表示彈載記錄儀侵徹時(shí)的等效加速度峰值，橫坐標(biāo)表示彈載記錄儀在等效沖擊加速度載荷下的可使用次數(shù)，可以看出加速度值與壽命近似成負(fù)指數(shù)關(guān)系。

圖8 彈載記錄儀的加速度-壽命預(yù)測(cè)曲線Fig.8 Acceleration-life prediction curve of the missile-borne recorder

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證彈載記錄儀的壽命預(yù)測(cè)曲線，在如圖9所示的落錘式?jīng)_擊臺(tái)上對(duì)彈載記錄儀進(jìn)行加速度沖擊實(shí)驗(yàn)，記錄儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。臺(tái)面上裝有標(biāo)準(zhǔn)傳感器，采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)，并與彈載記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作比較，判斷記錄儀是否可以正常工作。

選取40 000g、30 000g、20 000g、10 000g、5 000g的加速度值對(duì)記錄儀進(jìn)行連續(xù)沖擊試驗(yàn)，記錄儀可使用的次數(shù)為2次、3次、4次、6次以及9次，結(jié)果與壽命預(yù)測(cè)曲線有較好的一致性。

圖9 落錘試驗(yàn)圖Fig.9 Drop hammer test chart

圖10 記錄儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Internal structure of the recorder

4 結(jié)論

本文提出了基于累積損傷的彈載記錄儀在高沖擊下的壽命評(píng)估方法。該方法通過(guò)分析彈載記錄儀的失效機(jī)理與失效模式，提出了記錄儀的失效判定依據(jù)，并利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了有限元模型，仿真記錄儀在連續(xù)加速度沖擊載荷下的抗沖擊次數(shù)，并擬合得到了加速度-壽命預(yù)測(cè)曲線，最后，通過(guò)落錘試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證以及落錘試驗(yàn)結(jié)果表明，加速度載荷下與記錄儀的壽命近似呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。