基于实测载荷的弹载测试仪有限元仿真

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(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；3. 军械技术研究所，河北 石家庄 050000)

0 引言

弹载测试仪完成对弹体发射过程中弹丸自身动态参数的测试[1]。测试时，测试仪与弹体将承受相当高的加速度冲击载荷，该值一般超过15 000g[2]，这经常导致测试仪的关键部件(关键芯片、电路板、装置壳体等)因高冲击而发生失效，但由于现场试验不可重复，因此发射过程中测试仪内部应力变化无法确定。目前针对高冲击载荷作用下弹载测试仪内部应力分布问题，国内外对其仿真计算时往往通过施加模拟简化压力载荷来研究[3-5]，这种方式忽略了发射过程中的各阶段振荡，并不能真实反映火炮发射时弹载测试仪真实受力情况。针对上述问题，提出了利用弹载测试仪实测加速度载荷与LS_DYNA软件结合仿真分析的方法来分析高冲击载荷作用下弹载测试仪内部应力分布。

1 简化模拟发射载荷

火炮发射过程中，弹丸在火炮膛内运动及出炮口时会承受上万个重力加速度的冲击，此过程中冲击应力波可能会使弹载测试仪受压变形，测试仪内灌封后的电路将会产生裂纹甚至断裂[6]。但火炮发射过程中弹载测试仪内部瞬态应力测试难度较大，因此往往采用力学仿真软件进行仿真分析计算。LS-DYNA是目前公认的优秀的显性动力分析有限元软件，该软件特别适合于求解结构的非线性高速碰撞、爆炸等动态冲击动力学问题[7]。

弹体在膛内发射过程中，主要承受轴向冲击载荷，对于此类高冲击状态下瞬态仿真计算，为了计算简便，通常采用简化输入载荷的方式计算，即将火炮发射受力过程简化为对模型施加半锯齿膛压压力载荷[8]或者半正弦加速度脉冲载荷[4]，如图1所示。

2 实测载荷仿真分析过程

2.1 弹丸实测加速度曲线

弹丸在发射过程中实测弹轴加速度曲线如图2所示，该曲线可分为四个阶段，分别为起始段(0～5 ms)、高频振荡段(5～13 ms)、低频振荡段(13～16 ms)和炮口段(16～20 ms)。其中在炮口段17 ms左右曲线出现剧烈震荡，这是由于弹体飞出炮口，弹体底部受到负阶跃力，从而造成弹体剧烈抖动，此阶段弹载测试仪的受力不可忽略。

2.2 仿真分析过程

对比图1、图2可知，以往仿真计算时施加的简化半正弦加速度载荷从能量上与实际发射过程中实测加速度载荷存在差异，这种方式忽略了发射过程中的各阶段振荡，并不能真实反映火炮发射时弹载测试仪真实受力情况。利用实测加速度数据作为仿真计算时的载荷输入，可使仿真结果更接近弹丸发射过程中弹载测试仪真实受力情况，仿真计算流程如图3所示。

3 有限元仿真及结果分析

3.1 测试仪结构

弹载测试仪常采用波阻抗差别较大的多层材料构成的复合防护结构[9]。该结构包括硬结构层、软结构层、缓冲层及稳固层四个级别的缓冲层，是一种由外层空心圆柱嵌套内层空心圆柱、内外层圆柱壳体间用橡胶作为缓冲材料、电路板与内层壳体一体化灌封的结构。测试仪内部结构剖面示意图如图4所示。壳体结构由圆柱形35CrMnSiA钢外壳、橡胶(缓冲材料)及圆柱铝壳构成，测试系统电路板水平放置于内壳中，其余部分采用环氧树脂材料进行灌封。

3.2 模型建立

借助LS_DYNA软件对测试仪整体进行冲击载荷作用下的应力仿真，由于此次实际的弹载测试仪具有轴对称性，为了简化模型的计算，建模时采用二维平面单元进行求解，选择二维实体单元PLANE162作为单元类型，橡胶材料选取BLATZ-KO-RUBBER橡胶弹性模型，其余均选用弹塑性模型PLASTIC-KINEMATIC，网格划分后模型如图5所示，各部分材料选取参数如表1所示[4,6,10-11]。

材料密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/GPa泊松比ν35CrMnSiA80002060.284橡胶11201.040.463铝2710750.3环氧树脂10822.270.34电路板1800140.34

3.3 施加载荷

由图2可知，测试仪在火炮膛内受到最大加速度载荷约为12 000g，出炮口时受到加速度载荷最大，约为33 000g。将如图6所示的实测加速度载荷沿Y轴正方向施加于弹载测试仪外壳底面。

3.4 仿真结果分析

图7分别为实测加速度载荷施加于测试仪，不同时刻测试仪典型等效应力云图。

由不同时刻测试仪典型等效应力云图可知，冲击载荷产生的力绝大部分沿着钢制外壳材料进行传播，只有少部分能量传递到铝壳。这表明，橡胶作为非线性弹性材料，起到了隔离缓冲的效果，同时测试仪内部电路板及环氧树脂受到的冲击力也相对较小。

分别在测试仪不同材料上选取单元点查看其等效应力曲线，选取各单元点具体位置如图8所示，各单元点等效应力变化曲线如图9所示。

综合图7、图9可知，测试仪在弹体发射过程中各部分所受应力大小分布如下：合成钢外壳>铝壳>电路板>橡胶>环氧树脂。在弹体发射过程中，由于橡胶材料的隔离缓冲作用，绝大部分冲击载荷由合成钢外壳承受，只有较少部分能量传递至铝壳，又由于测试仪结构内部使用的环氧树脂灌封材料波阻抗低，仅有钢材的0.01～0.001倍，当冲击载荷由铝壳透射到测试仪内部时，应力幅值将大大减小，这与文献中的结论一致；根据仿真应力云图知，合成钢外壳受到的最大应力值约为300 MPa，小于其屈服极限[12]，即合成钢外壳在模拟火炮发射冲击载荷作用下未发生塑性形变，可认为测试仪结构完好，可有效地保护测试仪内部电路不受损坏。

4 结论

本文提出了利用弹载测试仪实测加速度载荷与LS_DYNA软件结合进行应力仿真分析的方法。该方法通过将实测加速度数据作为载荷输入施加于测试仪仿真模型，分析出了高冲击载荷作用下测试仪内部应力分布。仿真结果表明，常用测试仪结构中橡胶材料可起到很好的隔离缓冲作用，测试仪钢制外壳承受绝大部分冲击过载，只有少部分能量传递至测试仪内部，得出一种常用弹载测试仪结构内部应力分布规律，仿真结果与高冲击下能量吸收理论一致，为复杂结构瞬态冲击应力分析提供了参考。

参考文献:

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