CN102279014B - 测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试设备抗冲击防护结构的设计方法，具体是一种测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法。本发明解决了现有测试设备抗冲击防护结构设计方法不利于统一测试设备的设计方法、以及导致测试设备设计周期加长和设计成本增加的问题。测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）设计确定抗冲击壳体的外形结构；2）定量确定内层圆柱壳体屈曲速度、外层圆柱壳体屈服速度、电路板破坏极限；3）内层圆柱壳体顶盖厚度、外层圆柱壳体顶盖厚度、缓冲材料厚度、灌封材料厚度的确定；4）抗大冲击缓冲结构的设计；5）抗层裂结构的设计。本发明在面对不同的测试环境时，可以使得测试设备的设计方法趋于统一。

Description

测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法

技术领域

本发明涉及测试设备抗冲击防护结构的设计方法，具体是一种测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法。

背景技术

近年来，随着航空航天事业的不断发展，为了使研究人员在航天器发射、回收过程这些很具有代表性的高过载环境中得到可靠的测试数据，测试设备必须采取特殊防护措施，抗冲击测试设备由此产生。抗冲击测试设备最显著特点是可以承受较高的冲击、发射和落地过载，由于采用了防护技术，可以使得测试设备在非常恶劣的环境下仍可成功取得数据。目前，国内外有很多科研单位都进行了抗高冲击测试设备的研制。但由于壳体防护的复杂性，目前很多科研单位更关注的是数据采集电路本身，而对于抗冲击防护结构的设计只是依据实弹测试经验和ANSYS仿真来完成，并没有形成一个明确的设计步骤和设计方法。所以在面对不同测试环境时，往往需要重新评估设计，这样的方式使得测试设备研制的设计周期加长，设计成本增加。基于此，有必要发明一种全新的抗冲击防护结构设计方法，以解决现有测试设备抗冲击防护结构设计方法存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有测试设备抗冲击防护结构设计方法不利于统一测试设备的设计方法、以及导致测试设备设计周期加长和设计成本增加的问题，提供了一种测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法，该方法是采用如下步骤实现的：

1）设计确定抗冲击壳体的外形结构：抗冲击壳体的外形采用外层圆柱壳体套内层圆柱壳体的双层防护结构；根据实际撞击受力的需要，结合内层圆柱壳体半径与外层圆柱壳体半径之间的关系，确定内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙宽度；在内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙中加入缓冲材料，并通过灌封材料在内层圆柱壳体的内腔封装电路板；

2）定量确定内层圆柱壳体屈曲速度、外层圆柱壳体屈服速度、电路板破坏极限：通过最小临界屈曲公式，结合模拟空气炮实验，计算并验证出内层圆柱壳体的屈曲速度；通过模拟空气炮试验和压力传感器测出外层圆柱壳体的冲击应力和应力作用时间，结合冲量公式，计算出外层圆柱壳体的屈服速度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出电路板的破坏极限；

3）内层圆柱壳体顶盖厚度、外层圆柱壳体顶盖厚度、缓冲材料厚度、灌封材料厚度的确定：通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出内层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出内层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定内层圆柱壳体顶盖厚度；通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出外层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出外层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定外层圆柱壳体顶盖厚度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出缓冲材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出缓冲材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定缓冲材料厚度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出灌封材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出灌封材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定灌封材料厚度；

4）抗大冲击缓冲结构的设计：在内层圆柱壳体的上端设置薄壁环形壳塑性变形缓冲区，薄壁环形壳中充置缓冲材料，内层圆柱壳体的下端与外层圆柱壳体自由接触；

5）抗层裂结构的设计：通过空气炮和理论计算确定外层圆柱壳体的层裂容发点，对层裂容发点处的外层圆柱壳体进行环向加粗。

与现有测试设备抗冲击防护结构设计方法相比，本发明所述的测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法充分考虑了应力波传播对内部电路的影响，在设计过程中通过数值理论计算和环境模拟实验的方法，定量的限制了应力传入内层电路板的大小，通过这种方法，传入应力可以得到较为精确的控制，能有效的提高抗高冲击测试设备的可靠度。并且通过这种方法，在面对不同的测试环境，可以形成统一的设计方法，这种统一性将极大的提高设计周期。

本发明结合了冲击动力学、模拟验证实验和ANSYS动力仿真，有效解决了现有测试设备抗冲击防护结构设计方法不利于统一测试设备的设计方法、以及导致测试设备设计周期加长和设计成本增加的问题，通过本发明所述的测试设备抗冲击防护结构设计方法，在面对不同的测试环境时，可以使得测试设备的设计方法趋于统一，从而有效提高产品的设计周期和可靠度。

附图说明

图1是采用本发明所述的测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法设计的抗冲击防护壳体的结构示意图。

具体实施方式

测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法，该方法是采用如下步骤实现的：

1）设计确定抗冲击壳体的外形结构：抗冲击壳体的外形采用外层圆柱壳体套内层圆柱壳体的双层防护结构；根据实际撞击受力的需要，结合内层圆柱壳体半径与外层圆柱壳体半径之间的关系，确定内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙宽度；在内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙中加入缓冲材料，并通过灌封材料在内层圆柱壳体的内腔封装电路板；

所述步骤1）中，考虑到自然界中圆柱形结构的抗冲击性能最好，因此在抗冲击防护壳体的外形设计上，采用外层圆柱壳体套内层圆柱壳体的双层防护结构；在双层防护圆柱壳体中加入缓冲材料可以有效衰减应力波，同时对内防护壳体进行冲击缓冲；在内壳体内对电路板灌封，可以再次衰减应力波，同时起到对电路板的固定作用；

2）定量确定内层圆柱壳体屈曲速度、外层圆柱壳体屈服速度、电路板破坏极限：通过最小临界屈曲公式，结合模拟空气炮实验，计算并验证出内层圆柱壳体的屈曲速度；通过模拟空气炮试验和压力传感器测出外层圆柱壳体的冲击应力和应力作用时间，结合冲量公式，计算出外层圆柱壳体的屈服速度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出电路板的破坏极限；

根据最小临界屈曲理论确定内壳体临界屈曲应力                                                

，通过模拟空气炮试验和PVDF压力传感器进行应力验证，结合冲量公式，计算出内层圆柱壳体的屈曲速度

；

根据静力学理论确定壳体屈服应力

，通过空气炮试验和压力传感器测出外层圆柱壳体的冲击应力和应力作用时间，结合冲量公式，计算出外层圆柱壳体的屈服速度

；

通过马歇特锤试验和压力传感器测出电路板的破坏极限应力；

所述步骤2）中，对于外层圆柱壳体，通过空气炮试验和PVDF压力传感器可以测得外层圆柱壳体冲击靶体时的冲击应力和相对应的应力作用时间；对于内层圆柱壳体，试验方法同上，但不同之处在于：由于内层圆柱壳体的应力作用时间是经过缓冲材料缓冲的，所以在实际测试的过程中，在空气炮撞击试样前端相应地粘入相同厚度的缓冲材料，在此种条件下可以测得内层圆柱壳体冲击靶体发生屈曲时的冲击应力和相对应的应力作用时间；冲量公式具体为：

，对于外壳体，在应力作用时间确定的情况下，通过冲量公式就可以得到壳体的屈服速度为：

，式中

为壳体的质量，

为壳体的冲击力作用时间，为壳体的冲击力；对于内壳体，冲击作用力应选为壳体最小临界力

,从而得到内壳体屈曲速度为:。在外壳体的屈服速度和内壳体的屈曲速度确定后，可与实测冲击速度进行校准，为了保证测试的稳定性，原则上要保持内壳体外形不发生屈曲，故在设计过程中应尽量满足内层圆柱壳体屈曲速度大于外层圆柱壳体屈服速度；在确定电路板的破坏极限时，将一层薄而坚韧的塑料膜以紧贴的方式铺到内层圆柱壳体内腔四周，沿壳体灌封端四周溢出，然后开始向内腔注入灌封材料，待到灌封材料凝固后，将塑料膜拉出，即可得到完整的包裹着灌封材料的测试电路，将测试电路上电工作，同时用马歇特锤冲击（PVDF传感器粘贴在锤头），开始对测试电路进行步进加载，直到测试电路工作状态出现问题为止，记录冲击应力，此冲击应力即为电路板在灌封材料保护下的破坏极限；

3）内层圆柱壳体顶盖厚度、外层圆柱壳体顶盖厚度、缓冲材料厚度、灌封材料厚度的确定：

通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出内层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出内层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定内层圆柱壳体顶盖厚度

；

通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出外层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出外层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定外层圆柱壳体顶盖厚度

；

通过马歇特锤试验和PVDF压力传感器测出缓冲材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出缓冲材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定缓冲材料厚度

；

通过马歇特锤试验和PVDF压力传感器测出灌封材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出灌封材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定灌封材料厚度

；

所述步骤3）中，上述所要求设计的四个厚度，原则上是厚度越厚，对应力波的衰减程度越好，但考虑实际放置空间的要求，应该根据实际需要对四个厚度有一个大致的估计，再通过试验与应力波数值模拟，进一步细化厚度；在厚度的选择上，厚度优先级依次为：缓冲材料厚度,外层圆柱壳体顶盖厚度,内层圆柱壳体顶盖厚度,灌封材料厚度；从测试设备的抗冲击结构来分析，壳体对应力波产生衰减的作用位置主要集中在壳体顶盖部位；因此通过空气炮试验，在壳体顶盖外表面与内表面两端粘贴PVDF压力传感器，可以确定壳体顶盖对应力波的衰减；通过此试验，在一定的冲击速度下（模拟炮弹出膛速度），取五组不同的壳体顶盖厚度数值，其中第一组数值为预估值，后续数值每次在此基础上增加0.1-0.2

，分别测得在此条件下壳体的冲击应力和衰减后的应力,通过实测数据，结合公知技术应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和Ansys-LsDyna的动力学冲击仿真，可以相应测得壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系；缓冲材料厚度的确定方法与壳体厚度的确定方法略有不同，缓冲材料的冲击环境选用的是马歇特锤，即将一片PVDF压力传感器粘贴在冲击台表面，同时将另一片PVDF压力传感器粘贴在锤头上，缓冲材料取实际在壳体中缓冲材料的形状大小。通过上述装置，结合应力波衰减规律和Ansys-LsDyna数值仿真，就可以相应测得缓冲材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系；灌封材料厚度的确定方法与缓冲材料厚度的确定方法一致，同时灌封材料厚度取决于壳体长度和电路板长度之间的差值；在整个测试设备以速度

撞击靶体时，即初始冲击应力

确定的情况下，其经过防护壳体的层层衰减，最后可以得到到达电路板时的衰减后的应力强度

，此强度可以由函数表示，即建立了四个厚度与初始应力的函数联系，按照上述联系，根据实际放置需要与厚度优先级准则，可以直接从数值上进行四个厚度的设计。最后得出的

，应满足

条件；

4）抗大冲击缓冲结构的设计：在内层圆柱壳体的上端设置薄壁环形壳塑性变形缓冲区，薄壁环形壳中充置缓冲材料，内层圆柱壳体的下端与外层圆柱壳体自由接触；

所述步骤4）中，大冲击可理解为冲击力过大，导致外层圆柱壳体发生破裂，内层圆柱壳体直接接触冲击；为应对大冲击，需要设计抗大冲击缓冲结构进行缓冲；此抗大冲击缓冲结构设计在内层圆柱壳体的上端设置塑性变形缓冲区，塑性变形缓冲区主要是为了辅助缓冲材料进行进一步的缓冲防护，在内层圆柱壳体高速冲击靶体的过程中，如果触靶过程中作用在内层圆柱壳体上的力大于内层圆柱壳体的屈服应力，内层圆柱壳体将发生塑性变形，但随着自由面反射端不断的反射回来的弹性波与产生塑性变形的塑性波的相互作用，逐渐对塑性波进行衰减，塑性波最终将会被衰减成弹性波，而弹性波作用于内层圆柱壳体，内层圆柱壳体的变形是可以恢复的，加之内层圆柱壳体采用刚度较强的材料，在弹性波的作用下产生的弹性变形很小，因而不至于对其内腔灌封的电路板产生过于强烈的影响；塑性变形缓冲区的长度可以通过应力波传播特性的数值模拟进行精确的定位，此定位方法为现有公知技术；内层圆柱壳体的下端与外层圆柱壳体自由接触，其好处是在冲击过程中，与外壳体底部自由接触的内层圆柱壳体下端将形成自由面，而自由面的形成有利于精确测定内层圆柱壳体；

5）抗层裂结构的设计：通过空气炮和理论计算确定外层圆柱壳体的层裂容发点，对层裂容发点处的外层圆柱壳体进行环向加粗；

所述步骤5）中，层裂容发点的确定是建立在外层圆柱壳体的最后一次塑性变形的应变间断面的位置确定的基础上，即一次次被衰减的塑性波在应变间断面的位置最终被衰减成为弹性波，应变间断面的位置的确定是现有公知技术；层裂容发点的高度即为外层圆柱壳体的高度与应变间断面的高度之差，确定层裂容发点后，对层裂容发点的壳体进行一定的环向加粗，即可避开层裂断裂点。

Claims (1)

1.一种测试设备抗冲击防护壳体结构设计方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1）设计确定抗冲击防护壳体的外形结构：抗冲击防护壳体的外形采用外层圆柱壳体套内层圆柱壳体的双层防护结构；根据实际撞击受力的需要，结合内层圆柱壳体半径与外层圆柱壳体半径之间的关系，确定内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙宽度；在内层圆柱壳体与外层圆柱壳体之间的环形间隙中加入缓冲材料，并通过灌封材料在内层圆柱壳体的内腔封装电路板；

2）定量确定内层圆柱壳体屈曲速度、外层圆柱壳体屈服速度、电路板破坏极限：通过最小临界屈曲公式，结合模拟空气炮实验，计算并验证出内层圆柱壳体的屈曲速度；通过模拟空气炮试验和压力传感器测出外层圆柱壳体的冲击应力和应力作用时间，结合冲量公式，计算出外层圆柱壳体的屈服速度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出电路板的破坏极限；

3）内层圆柱壳体顶盖厚度、外层圆柱壳体顶盖厚度、缓冲材料厚度、灌封材料厚度的确定：通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出内层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出内层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定内层圆柱壳体顶盖厚度；通过空气炮试验和PVDF压力传感器测出外层圆柱壳体的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波在实心圆柱体内的应力波衰减的规律和动力学冲击仿真，得出外层圆柱壳体顶盖厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定外层圆柱壳体顶盖厚度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出缓冲材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出缓冲材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定缓冲材料厚度；通过马歇特锤试验和压力传感器测出灌封材料的初始冲击应力和衰减应力，结合应力波衰减规律和动力学冲击仿真，得出灌封材料厚度、初始冲击应力、衰减应力之间的函数关系，根据得出的函数关系确定灌封材料厚度；

4）抗大冲击缓冲结构的设计：在内层圆柱壳体的上端设置薄壁环形壳塑性变形缓冲区，薄壁环形壳中充置缓冲材料，内层圆柱壳体的下端与外层圆柱壳体自由接触；

5）抗层裂结构的设计：通过空气炮和理论计算确定外层圆柱壳体的层裂容发点，对层裂容发点处的外层圆柱壳体进行环向加粗。

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