弹载记录仪存储模块防护结构设计及优化

为了验证导弹性能参数是否符合设计规范，改进导弹设计和生产中可能存在的问题，保证导弹的安全性与打击目标的精确度，需要进行大量试验。弹载记录仪可用于记录导弹试验期间导弹全弹道过程的多种参数[1]，比如发射压力、飞行速度、飞行姿态、加速度等。试验结束后，弹载记录仪及时回收后，记录部分被回收，上位机读取存储数据，判读导弹在试验过程中的多参数数据和飞行状态。攻击高强度工事时，弹体产生很大的过载冲击，会导致存储芯片失效，这决定了弹载记录仪在抗高过载防护结构方面优化设计的重要性[2]。就弹体侵彻目标来说，弹载记录仪能否承受导弹接触并完成打击目标过程中的高冲击和强振动，直接决定了测试是否成功。因此，优化弹载记录仪在高过载冲击下的缓冲保护结构对于研制导弹等新型武器具有极其重要的意义[3]。

1 弹载记录仪缓冲保护理论分析

1.1 存储芯片结构及失效模式

芯片在高过载冲击下，外壳环氧模塑料会产生变形量，由于变形会在芯片内部逐渐衰减，芯片内传递时变形量会逐渐减小，当传递过程中某变形量大于芯片的弹性形变阈值时，芯片将会失效。导致芯片失效的模式最主要的有3种，分别为管脚脱落、芯片碎裂、引线断裂。因此对记录器的保护最主要的是数据存储芯片的保护。芯片内部结构如图1所示。

1.2 应力波破坏因素

记录仪放置于弹体内部，弹体在侵彻目标过程中产生很高的应力，应力在弹体内以应力波的形式传播[4]。应力波具有传播衰减、变截面反射与透射的特性，应力波从外壳体传递到内部存储芯片过程中，先后经过三层钢壳体及环氧树脂灌封材料，刚性壳体的波阻抗远大于常用灌封材料的波阻抗[5]，能够传递到内部存储结构的应力波较小。环氧树脂灌封材料有吸能的作用，粘弹性较强，可减弱和隔离外界冲击。但在高冲击强度条件下，灌封材料会流体化，致使电子设备不能完全包裹在灌封材料内部，致使存储器件损毁。

为解决这一问题，提出在壳体内部再加入一层刚性保护装置的结构优化方案，利用存储保护装置内部结构固定存储模块，有效隔绝应力波，对存储芯片进行保护。

1.3 惯性力破坏因素

弹载记录仪经可靠设计后仍存在失效情况，且大部分发生在二次冲击力发生时。这是因为在高冲击力的作用下，每个结构的惯性力是相同的，但结构高度不同，结构间的作用力会随着高度增加而增加[6]，因而壳体底部的存储模块最易失效。弹载记录仪由于惯性力而损坏的原因主要有两种：

1)弹体击打目标时的速度过大，侵彻产生的加速度的峰值过高；

2)侵彻发生后，高加速度状态长时间保持，致使能量过大。

为解决这一问题，在存储保护装置底部设计缓冲材料结构，可有效减缓存储模块在撞击发生后产生多个高峰值脉冲，降低加速度，延长能量释放过程。

2 缓冲防护结构的设计及优化

2.1 整体缓冲防护结构设计原理

通过分析存储芯片结构及损毁原因，结合弹缓冲保护理论，装置采取机械壳体为三层的设计，结构内部外围电路及结构间隙采用环氧树脂灌封的设计理念。选用声阻抗差别较大的多层材料设计成复合式结构，主要包含4层，最外层的硬结构层、中间缓冲层和存储防护层，以及各层间的软结构层。从结构的总体空间布局相容性出发，防护结构最外层设计采用圆柱形结构，内嵌圆柱形壳体；中间缓冲层结构与最外层结构相同，存储设计外围电路设计放置于缓冲层壳体之上，最外层结构之内；存储防护层设计为椭圆形壳体，存储芯片及电路放置于椭圆形壳体内腔。最外层与中间层间利用环氧树脂作为缓冲材料；中间缓冲层与存储防护层间放置加入泡沫铝作为底部垫底层，间隙灌封环氧树脂；存储防护层内部灌封环氧树脂。未优化整体防护装置为圆柱形结构，装置示意图如图2。

导弹落地撞击过程中绝大部分的冲击都由最外层壳体承受，应采用动态断裂强度高和断裂韧性较好的材料。35CrMnSiA热处理后具有较高的硬度，满足以上条件。选用环氧树脂作为灌封材料，因其很好地缓冲吸能效果，且环氧树脂固化成型后硬度高、绝缘、耐腐蚀、耐老化、耐冷热等冲击等特性[7]。

2.2 存储防护层结构设计原理

存储芯片是整个记录仪的核心部分，是防护结构主要保护部分[8]。在原有设计基础上，将原存储防护结构的圆柱形优化设计为椭圆形壳体，存储芯片及电路放置于椭圆形壳体内腔，利用环氧树脂灌封。设计了两种存储防护结构，区别其内腔放置存储电路部分，一种防护结构内部为开槽，即椭球体内腔设计挖出适合核心存储器形状的腔体的存储模块防护装置，结构如图3(a)所示；另一种防护结构内部为挖空设计，即椭球体内腔设计挖出圆柱形腔体，结构如图3(b)所示。

3 建模仿真分析

3.1 有限元模型建模

Ansys能够有效地模拟高速碰撞、侵彻等非线性显示动力学问题[9]，为研究该防护结构的可靠性，用Ansys/Workbench 17.0模拟实际情况，建立如下模型参数：模拟记录仪装置以850 m/s撞击夯土靶体；材料主要参数如表1所示。

使用SolidWorks完成对几何模型的建立，设计出不同形式的抗冲击保护装置，保护装置均为复合模型。使用Hypermesh有限元前处理软件对几何模型进行网格划分，大部分结构使用高精度六面体单元离散，部分结构使用四面体单元离散，并对计算进行了初步的网格无关性分析，保证了计算的精度。

3.2 仿真结果

针对不同结构组合件缓冲效果，设计4种存储器防护结构，分别为：

1)未装入弹体的记录仪部分直接撞击靶体。

2)将防护结构设计为圆柱体，在圆柱体内腔设计挖出圆柱形腔体体，将整体结构装入弹体。

3)将防护结构设计为椭球体，在椭球体内腔设计挖出圆柱形腔体，将整体结构装入弹体；并在椭球体与中间层接触的空间填充泡沫铝材料。

4)在椭球体内腔设计挖出适合核心存储器形状的腔体，及开槽型内腔，将整体结构装入弹体；并在椭球体与中间层接触的空间填充泡沫铝材料。

对4种结构进行仿真分析，首先使得记录器结构在未装载弹体及以上4种情况下以850 m/s撞击夯土靶体，选取存储芯片上的4个点分别测得其应力及加速度。测点分布、如图4所示。仿真计算得到以上4种情况下的应力曲线和加速度曲线如图5所示。

通过分析各情况下的应力曲线和加速度曲线，可知防护装置不同，则子弹撞击夯土靶体产生的冲击力传递到内部存储芯片上的时间不同，最先受力端1号和2号点位被挤压，产生应力。椭球形+圆柱内腔相比于椭球+开槽，有多个高峰值脉冲；加入垫片，脉冲峰值减少；这种脉冲对于电路是极为有害的[10]。通过仿真计算可得以上4种情况下的应力曲线和加速度曲线计算结果表2所示。

分析可知，不同防护装置对存储芯片保护均有效果。椭球形结构相对于圆柱形结构更能有效保护内部存储器；腔体内部为开槽状相对于圆柱内腔防护效果更强；加入垫片能够有效保护存储器后端。针对不同结构组合件缓冲效果后，缓冲前后应力和加速度曲线略有不同，通过对以上情况分析可知，椭球开槽挖空加垫片的防护型结构具有明显优势。利用Ansys/Workbench17.0进行模型设计，其模型结构、网格划分如图6所示。其应力云图如图7所示。

当子弹撞击夯土靶体速度达到850 m/s时，该结构前端最大应力值为2.8 MPa，后端最大应力值为1.4 MPa，最大加速度峰值为100.8g。该缓冲结构有较大缓冲作用，脉宽达到200 μs，加速度较为稳定，减少了多个脉冲峰值对于电路影响。可有效减小炮弹撞击对于存储模块的破坏。

4 结论

设计了一种新型多层壳体缓冲隔离的防护结构，并利用有限元仿真工具，将优化前结构，即椭球挖空圆柱结构，与优化后结构，即椭球开槽，结构仿真对比，最后选择在椭球体内腔设计挖出适合核心存储器形状的开槽腔体，并在椭球体与中间层接触的空间填充泡沫铝材料的结构。仿真试验环境建立相关有限元模型，由计算结果看出：存储防护模块能够有效保护内部存储器件。此防护型结构可应用于弹体内测的参数采集。

[1] 陈艾荣,常成,马如进,等.结构拓扑优化理论及其在桥梁结构找型中的应用[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(5):657-663.

[2] 邹连英,王秋实,王利恒,等.重装空投数据采集分析系统设计[J].武汉工程大学学报,2015,37(1):25-29.

[3] 唐晓慧,钱林方,汤建华,等.重装空投着陆缓冲稳定性分析[J].振动与冲击，2015,34(15):122-126.

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[6] 贾丁治,苟瑞君.复合橡胶的吸能特性研究[J].科技情报开发与经济，2006,16(1):174-175.

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