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        一種高過載彈載記錄儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2019-05-05 09:15:30鄭智貞楊富偉鄭浩鑫王靖宇
        制造業(yè)自動化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:艙體記錄儀殼體

        鄭智貞,楊富偉,鄭浩鑫,王靖宇,楊 燦

        (1.中北大學(xué) 機械工程學(xué)院,太原 030051;2.中國航天科技集團公司第四研究院第四十一研究所,西安 710000)

        0 引言

        彈載記錄儀是一種用于采集、儲存和回放速變參數(shù)、緩變參數(shù)、控制指令的儀器,其對于掌握導(dǎo)彈飛行過中的動態(tài)參數(shù)、控制指令及環(huán)境參數(shù)意義重大[1]。彈載記錄儀安放在彈體狹小的內(nèi)部,跟著導(dǎo)彈飛行,在高速狀態(tài)下的慣性作用力,主要靠緩沖材料、電路腔內(nèi)的灌封材料所吸納,在彈體著陸瞬間,要承受幾萬個重力加速度的沖擊[2,3],在如此高的過載情況下,保證回收后的記錄儀存儲模塊完好無損,從中讀取有效的實驗數(shù)據(jù)是比較困難的,這就需要保護(hù)記錄儀的殼體具有很高的強度和結(jié)構(gòu)合理簡單且連接可靠,以提高彈載記錄儀的抗沖擊能力。

        因此,設(shè)計了一種性能可靠穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單合理,能抗高過載的彈載記錄儀。本文設(shè)計了雙層殼體兩層緩沖隔離的電路防護(hù)結(jié)構(gòu),獨立存放記錄模塊和備份模塊,選用高強度鋁材為記錄儀外殼體實現(xiàn)一級防護(hù),選用高強度鋼材為內(nèi)殼體,并在殼體中灌封電路模塊實現(xiàn)二級防護(hù),通過記錄儀單機測試及系統(tǒng)聯(lián)試的實驗結(jié)果表明,記錄儀內(nèi)部存儲模塊均能夠完整記錄數(shù)據(jù),達(dá)到了抗高載的預(yù)定目標(biāo)。

        1 記錄儀設(shè)計方案

        本次設(shè)計的彈載記錄儀的主要功能是:實現(xiàn)導(dǎo)彈工作時,對其相關(guān)模擬量、數(shù)字量及視頻信號進(jìn)行可靠采集和存儲工作;導(dǎo)彈完成工作后,能夠?qū)τ涗浀臄?shù)據(jù)進(jìn)行卸載、查看和分析。

        彈載記錄儀就是將儲存芯片及電路系統(tǒng)放置在硬回收殼體內(nèi)。記錄儀隨彈飛行至彈體分離高速墜落撞地,撞地瞬間產(chǎn)生的過載高達(dá)20000g左右[4]。本次設(shè)計中的技術(shù)難點就是如何確保彈載記錄儀回收后的存儲電路板完好無損。因此,記錄儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否十分關(guān)鍵,成為保證準(zhǔn)確獲取導(dǎo)彈飛行測試數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。

        彈載記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計方案:首先,為減小PCB板的受力面積和尺寸,將PCB設(shè)計為信號板、電源板、存儲板×2、視頻板五塊PCB板,以提高產(chǎn)品的抗過載能力。其次,用鍍銀絲把信號板、電源板、視頻板這三塊PCB板穿連起來,安裝固定在一個殼體里并灌封發(fā)泡;將與信號板和視頻板對應(yīng)的兩塊存儲板放置在另一個殼體里并灌封環(huán)氧樹脂;信號板和視頻板分別與其對應(yīng)的存儲板之間用航插連接,完成數(shù)據(jù)的傳輸,并側(cè)壁上留有航插口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的卸載。最后,為提高連接的可靠性且保證飛行中不拉斷散線,將兩個內(nèi)殼體都固定在一個大的外殼體上,并用毛氈作為緩沖材料吸收沖擊波的能量,以保護(hù)記錄儀內(nèi)部殼體結(jié)構(gòu)。

        2 彈載記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計

        如圖1為彈載記錄儀裝配圖。根據(jù)信號板、電源板和視頻板的尺寸來設(shè)計記錄儀封裝主體4,在底部設(shè)計兩個航插口。封裝主體4主要用于存放數(shù)據(jù)采集、控制存儲的電路板,與記錄儀頂蓋6連接在一起,為了穿過航插頭,將頂蓋設(shè)計為兩個拼接在一起的半圓,中間的兩個孔位用于引出航插頭,與用戶設(shè)備裝連,同時在頂蓋的兩側(cè)分別加工一個大小為M6的螺紋孔,作為灌封口,內(nèi)部灌封材料選擇發(fā)泡。記錄儀備份艙主體2,用于安裝放置FLASH電路板,獨立保護(hù)存儲器FLASH模塊,內(nèi)部灌封材料選擇環(huán)氧樹脂,在其底部開口為方便從存儲器上獲取并分析彈體飛行數(shù)據(jù)。記錄儀艙體5,側(cè)壁上開有讀數(shù)口用于安裝航插14,便于從艙體側(cè)面讀取數(shù)據(jù),內(nèi)部用來存放和保護(hù)記錄儀封裝主體4和備份艙主體2。

        圖1 彈載記錄儀裝配圖

        本設(shè)計中,封裝主體4與頂蓋6組成的記錄儀封裝體和備份艙主體2與備份艙蓋3組成的記錄儀備份艙都是獨立體,可以分別安裝固定好各自的電路板后進(jìn)行灌封。第一步,先把記錄儀封裝體上的航插14安裝固定在記錄儀艙體5的側(cè)壁上,然后把封裝體固定在記錄儀艙體5的右端;第二步,連接好記錄儀備份艙與記錄儀封裝體的航插后,將備份艙固定在記錄儀艙體5的左端;第三步,把毛氈包裹好備份艙后,用記錄儀后蓋1壓實固定在艙體5上,完成記錄儀的裝配工作。在螺釘連接處涂上適量的螺紋膠,可以提高連接的強度,使記錄儀具有更高的穩(wěn)定性。此彈載記錄儀具有裝配簡單、連接可靠且拆卸方便的優(yōu)點。

        3 彈載記錄儀的仿真

        3.1 模型仿真材料及參數(shù)

        圖2 彈載記錄儀實體模型

        整個裝配體結(jié)構(gòu)采用聲阻抗差別較大的多層材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)[5],記錄儀艙體5材料選擇鋁;內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇35CrMnSiA,特點是強度高,熱處理后能承受更高的沖擊動量,有效地保護(hù)記錄儀的存儲電路部分。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到內(nèi)外防護(hù)殼材料參數(shù)如表1所示[6~8]。殼體內(nèi)灌封材料選擇環(huán)氧樹脂,模型選擇使用PLASTICKINE-MATIC,相關(guān)參數(shù)如表2所示。

        表1 內(nèi)外防護(hù)殼材料參數(shù)

        表2 灌封材料參數(shù)

        3.2 Ansys有限元模型建立

        運用UG 10.0建立彈載記錄儀的實體模型,并把模型保存為x_t格式導(dǎo)入Ansys中;然后設(shè)置零件的材料參數(shù)、施加約束和定義載荷類型;最后對記錄儀進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分操作,完成有限元模型的建立。

        3.3 仿真結(jié)果與分析

        文獻(xiàn)[5]指出記錄儀在垂直下落時受到的過載最大,分析其等效應(yīng)力云圖。由圖3所示的應(yīng)力云圖可知,記錄儀艙體因超過鋁的屈服應(yīng)力而發(fā)生損壞,緩沖掉大部分沖擊能量。由圖可見,記錄儀后蓋達(dá)到屈服應(yīng)力,發(fā)生較大的變形,而記錄儀內(nèi)殼體沒有形變,電路模塊得到有效保護(hù)。

        圖3 記錄儀內(nèi)殼和外殼應(yīng)力云圖

        4 記錄儀的測試

        記錄儀的測試項目主要包括質(zhì)量檢測,高、低溫和溫循試驗,振動和沖擊試驗等。

        如圖4(a)為記錄儀質(zhì)量檢測,將記錄儀放置稱重臺上得到整體質(zhì)量為1.8666kg,滿足質(zhì)量要求;圖4(b)為記錄儀在高溫下的檢測,將記錄儀放在高低溫試驗箱中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測試;圖4(c)為記錄儀振動試驗,將記錄儀安裝在專用的夾具上進(jìn)行振動試驗,主要完成X,Y,Z三軸向的振動,每軸振動時間5min,振動過程中通電工作;圖4(d)為記錄儀沖擊試驗,將記錄儀固定在落體式?jīng)_擊試驗臺上,主要完成六軸向的沖擊,每軸向沖擊一次,加速度峰值為150g,沖擊波形為近似半正弦波。在試驗前、中、后分別讀取記錄儀測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù),測試數(shù)據(jù)均正常。

        5 結(jié)論

        對彈載記錄儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,通過單機測試和聯(lián)機測試,得出如下結(jié)論:

        1)設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單且可靠的高過載彈載記錄儀,存儲版和電路板放置在不同的殼體結(jié)構(gòu)里,結(jié)構(gòu)緊湊且易于安裝和拆卸;

        圖4 彈載記錄儀的測試

        2)采用雙備份存儲方案提高了系統(tǒng)的可靠性,設(shè)計在記錄儀艙體側(cè)壁上航插口方便了數(shù)據(jù)的讀取;

        3)對設(shè)計的記錄儀進(jìn)行高低溫、振動和沖擊測試結(jié)果證明:測試系統(tǒng)工作正常,記錄儀殼體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可靠性較高,滿足試驗要求,具有很強的應(yīng)用價值。

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