基于累積損傷的彈載記錄儀壽命評估

王海霞，尤文斌，周優(yōu)良，丁永紅，穆希輝

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引言

彈體在發(fā)射與撞擊目標過程中，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[2-4]。文獻[5]使用泡沫鋁材料對存儲測試電路進行緩沖保護，提高了數(shù)據(jù)的捕獲率與電路模塊的重復使用次數(shù)，但是對記錄儀的使用壽命并未進行研究。在火炮引信參數(shù)測試、炮射導彈飛控參數(shù)測試等低成本彈藥研發(fā)過程中，彈載記錄儀需要多次使用，而彈載記錄儀的應用環(huán)境特殊，因彈體的著地環(huán)境隨機性較大，著地過程承受的沖擊載荷變化很大，可達幾百個g甚至上萬個g的加速度沖擊載荷。目前因缺乏針對彈載記錄儀使用壽命評估的有效方法，只能依靠經(jīng)驗判斷記錄儀使用后的可靠性， 針對此問題，提出了基于累積損傷的彈載記錄儀壽命評估方法。

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記錄儀的彈體垂直撞擊半無限長C20混凝土模型，結構如圖1所示，彈體內(nèi)部構成如圖2所示。由于彈體和記錄儀均可視為中軸對稱，為了減少計算量，采用1/4模型進行分析計算，單元類型選擇SOLID164三維實體單元，使用單點積分Lagrange算法計算。

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本構模型，相關材料參數(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，仿真時選擇MOONEY-RIVLIN_RUBBE本構模型，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度為20 MPa的C20混凝土，為了計算簡便，選用PLASTIC_KINEMATIC模型，ρ為2 100 kg/m3,E為3.00×1010Pa，μ為0.18，屈服應力為20 MPa。

1.1.3施加約束及載荷

對模型邊界施加約束，使模型在受力時，對稱面上的節(jié)點不發(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

約束完成后對仿真模型施加載荷，對除混凝土靶以外的彈丸模型整體定義速度從而達到改變侵徹載荷的目的。計算累積損傷時，為了實現(xiàn)應力和形變的傳遞，采用完全重啟動的方法實現(xiàn)，具體做法是在K文件中添加STRESS_INITIALIZATION關鍵字實現(xiàn)。

GP Ⅱb/Ⅲa受體拮抗劑是血小板通過纖維蛋白原與GP Ⅱb/Ⅲa受體相結合，使相鄰的血小板結合在一起，是血小板聚集的“共同最后通路”。美國已批準使用三種靜脈GP Ⅱb/Ⅲa受體拮抗劑(單克隆抗體阿昔單抗、肽類抑制劑埃替非巴肽以及非肽類抑制劑替羅非班)，可使急性冠狀動脈綜合征患者的臨床事件下降35%～50%。應用GP Ⅱb/Ⅲa抑制劑所要考慮的主要問題之一是藥物種類。現(xiàn)有的臨床試驗證據(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應用于NSTEACS患者。而我國替羅非班主要應用于AMI血栓負荷較重或可能發(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理

彈載記錄儀在著地過程承受的沖擊載荷變化很大，可達幾百甚至上萬個g的加速度沖擊載荷。記錄儀在高過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，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。壓縮的應力波在內(nèi)殼體末端發(fā)生反射，壓應力變?yōu)槔瓚?，當超過殼體的抗拉強度時，外殼體的表面層會發(fā)生變形，甚至出現(xiàn)裂紋[10]。外殼體的屈曲變形，會壓縮記錄儀的內(nèi)部空間，對電子設備產(chǎn)生擠壓，使內(nèi)部電路變形，導致內(nèi)部電路失效。

電路體的常見失效模式有印制電路板失效、元器件失效、導線失效等[4]。印制電路板的主要失效模式有：斷路、短路引起的信號傳送終止，瞬間短路或瞬間突變引起的信號中斷，漏電流、阻抗增大而引起的信號改變等，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[11]。造成元器件失效的原因有：芯片的薄弱部位受到的應力超過自身強度極限而造成芯體破碎；因疲勞、過應力而引起的芯片管腳斷裂，應力作用下導致塑封材料出現(xiàn)裂痕等。導線的主要失效模式是斷裂，多發(fā)生于導線的活動部分以及不可活動部分連接部位[4]，而記錄儀的電路體被灌封后，導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)

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

參考印制電路板的檢驗標準及方法，當電路板的弓曲大于0.75%時，印制電路板不可使用[12]。在這里，當電路板的弓曲大于0.5%時，即認為電路板失效。

(1)

(2)

因此，在仿真計算時認為測試電路任一網(wǎng)格的等效塑性應變達到0.083時，記為εmax，則認為記錄儀失效。

2 基于累積損傷壽命評估方法

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

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

圖4 彈載記錄儀壽命預測流程圖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，進行網(wǎng)格劃分并施加約束條件。

2)施加載荷，計算求解后，獲取應力響應結果。第1次沖擊時，認為結構是無初始損傷的，當沖擊次數(shù)大于1時，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力以及等效塑性應變結果，作為下一次計算的初始狀態(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 仿真結果及驗證

3.1 記錄儀一次壽命抗沖擊值

經(jīng)過大量仿真，并且結合此結構的彈載記錄儀在實驗中可承受載荷的經(jīng)驗值，當給予彈體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。在此撞擊過程中，電路體上最大應力單元為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單元的等效塑性應變曲線，如圖5(c)所示，對應的等效塑性應變分別為0.064 7和0.068。當再次給模型施加55 000g的沖擊載荷時，電路體上最大的等效塑性應變達到0.094，大于εmax，此時彈載記錄儀失效。因此，當?shù)刃謴丶铀俣葹?5 000g時，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估

仿真時，通過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。

當彈體以1 350 m/s的初速度撞擊土靶時，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H2785、H2789(分別位于左電路板與右電路板處)最大應力單元對應的累積等效塑性應變曲線。由圖6(b)可知，經(jīng)過連續(xù)2次沖擊后等效塑性應變的最大值達0.082，小于εmax。但是若再以40 000g的加速度沖擊，很顯然記錄儀會失效。因此，當?shù)刃謴丶铀俣葹?0 000g時，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

類似地，當彈體以1 050 m/s、750 m/s、450 m/s的初速度侵徹混凝土靶時，分別獲取約32 000g、22 500g、10 000g的等效加速度載荷，對應的壽命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)沖擊時的加速度曲線和電路板上兩個最大應力單元H2752、H2769(分別位于左電路板與右電路板處)對應的累積等效塑性應變曲線，可以看出當沖擊到第7次時，應變的最大值已經(jīng)達到0.091 4，此時記錄儀已失效。

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

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測曲線

將加速度載和和記錄儀的抗沖擊次數(shù)進行匯總分析，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-壽命預測曲線。其中，縱坐標表示彈載記錄儀侵徹時的等效加速度峰值，橫坐標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指數(shù)關系。

圖8 彈載記錄儀的加速度-壽命預測曲線Fig.8 Acceleration-life prediction curve of the missile-borne recorder

3.4 試驗驗證

為了驗證彈載記錄儀的壽命預測曲線，在如圖9所示的落錘式?jīng)_擊臺上對彈載記錄儀進行加速度沖擊實驗，記錄儀的內(nèi)部結構如圖10所示。臺面上裝有標準傳感器，采集標準傳感器的數(shù)據(jù)，并與彈載記錄儀存儲的數(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的加速度值對記錄儀進行連續(xù)沖擊試驗，記錄儀可使用的次數(shù)為2次、3次、4次、6次以及9次，結果與壽命預測曲線有較好的一致性。

圖9 落錘試驗圖Fig.9 Drop hammer test chart

圖10 記錄儀內(nèi)部結構圖Fig.10 Internal structure of the recorder

4 結論

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估方法。該方法通過分析彈載記錄儀的失效機理與失效模式，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-壽命預測曲線，最后，通過落錘試驗進行了驗證。仿真驗證以及落錘試驗結果表明，加速度載荷下與記錄儀的壽命近似呈負指數(shù)關系。