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复合泡沫填充管的高g值冲击防护特性

包装工程 2023年第21期44卷 54-61页

作者：张冰冰李耀宙李华波卢亚菁太原工业学院环境与安全工程系太原030008

目的为避免或减小高g值冲击对弹内轻质元器件的破坏,应加强对轻质元器件缓冲防护结构的研究。方法基于新型复合泡沫和通孔泡沫铝的2种泡沫填充管,通过万能试验机和落锤冲击系统研究了2种泡沫填充管的静动态力学特性,并运用数值模拟方法... 详细信息

目的为避免或减小高g值冲击对弹内轻质元器件的破坏,应加强对轻质元器件缓冲防护结构的研究。方法基于新型复合泡沫和通孔泡沫铝的2种泡沫填充管,通过万能试验机和落锤冲击系统研究了2种泡沫填充管的静动态力学特性,并运用数值模拟方法研究高g值冲击下等质量的泡沫填充管与夹芯管的加速度缓冲效果和吸能机制。结果数值模拟所得结构变形和落锤加速度与实验结果较为一致,验证了数值模拟方法的可靠性。复合泡沫平台应力具有显著的应变率效应,其填充管压溃载荷平稳且高于泡沫铝填充管,比泡沫铝填充管体现出更优异的高过载防护性能。等质量的泡沫夹芯管的抗冲击性能优于填充管,2种泡沫填充而成的夹芯管具有相似的高过载防护性能,泡沫材料压缩行为对夹芯管压溃载荷特征的影响低于填充管。结论所得结果对轻质元器件的高g值缓冲防护有较强的指导意义。

关键词：复合泡沫泡沫铝高g值冲击平均压溃载荷

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高g值冲击下泡沫铝填充铝壳轴压特性

探测与控制学报 2016年第4期38卷 77-81页

作者：徐鹏朱江涛高猛中北大学理学院山西太原030051

针对弹载测控装置因承受高g值冲击而发生失效的问题,将不同厚度铝壳和不同密度的泡沫铝填充结构用于其缓冲保护,采用含有偏心率因子的直链塑性铰模型分析了铝壳在轴向高g值冲击加速度作用下的压溃特性,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟... 详细信息

针对弹载测控装置因承受高g值冲击而发生失效的问题,将不同厚度铝壳和不同密度的泡沫铝填充结构用于其缓冲保护,采用含有偏心率因子的直链塑性铰模型分析了铝壳在轴向高g值冲击加速度作用下的压溃特性,通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了结构在轴向冲击下的动力屈曲行为,讨论了铝壳厚度以及泡沫铝密度对泡沫铝填充铝壳结构力学性能的影响。仿真结果表明:在铝壳内填充泡沫铝,提高了结构的平均压溃力,改善了轴向压溃载荷波形。铝壳的偏心率因子不随铝壳厚度变化而变化。

关键词：高g值冲击填充铝壳泡沫铝偏心率

高g值冲击环境的实现及纺织材料对微电子器件防护的研究

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高g值冲击环境的实现及纺织材料对微电子器件防护的研究

作者：曹晚霞上海工程技术大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,微电子器件被各行各业广泛应用。然而,在运输、使用过程中,微电子器件不可避免地会受到各种各样的硬碰撞、高强度冲击,甚至是高加速度值冲击,从而使微电子器件受到不同程度的损坏。因此,有一个问题亟待解决:如何在高加... 详细信息

随着社会的发展,微电子器件被各行各业广泛应用。然而,在运输、使用过程中,微电子器件不可避免地会受到各种各样的硬碰撞、高强度冲击,甚至是高加速度值冲击,从而使微电子器件受到不同程度的损坏。因此,有一个问题亟待解决:如何在高加速度值冲击环境下,防护微电子器件不受损坏。截止到目前,国内外学者对此问题进行了大量研究,但仍存在以下几个问题:首先,高g值冲击环境的模拟不完善。目前,关于模拟高g值冲击环境的试验装置主要有冲击试验机、Hopkinson压杆、马歇特落锤和空气炮。但这四种试验装置存在高精度测量难以实现,占地面积大,危险性大等问题。其次,缺乏对冲击试验仪调节冲击加速度方法的系统研究。虽然国内外学者对以上四种装置都进行了深入研究,但是针对冲击试验仪调节冲击加速度的方法,尚未有人进行系统研究。最后,纺织材料防护微电子器件尚是个研究盲区。高g值冲击环境下微电子器件的防护材料多采用金属材料尤其是泡沫铝,而泡沫铝作为防护材料存在价格昂贵、加工难度大等问题。纺织材料,尤其是广泛应用于航空航天、国防兵器、防弹装备等各个领域的高性能纺织材料,用于微电子器件防护,具有低密度、高强度、耐冲击、耐高温等优点,应用前景广阔。基于此背景,本文自主搭建了高加速度冲击试验仪,该冲击试验仪空间体积小,控制精度高,操作方便安全;研究并提出冲击试验仪冲击加速度的调节方法,该方法不仅适用于本台试验仪,也适用于原理相似的其他试验仪;以石英表表芯作为受防护的微电子器件,初步研究部分纺织及相关材料在高g值冲击环境下的隔冲性能及石英表表芯在此类材料防护下的抗冲击特性,为高g值冲击环境下微电子器件的防护研究提供了新思路。本课题主要研究内容涉及以下4个方面:（1）高加速度冲击试验仪的自主搭建。所设计与搭建的试验仪,主要由门型机架、冲击舱体发射装置、冲击加速度调节器、可移动冲击舱体冲击力承载台、冲击舱体定位夹持机构、冲击舱体测速装置以及数据采集系统7个部分组成。实验开始前先行对试验仪的冲击速度进行标定,得到冲击速度-弹簧压力拟合关系式:y=333.7x-166.8（其中,x为冲击速度（单位:m/s）;y为弹簧压力（单位:N））;经对试验仪冲击速度测量表明:该冲击试验仪冲击速度稳定,测速机构具有较高的精确度。（2）高加速度冲击试验仪冲击加速度调节方法的系统探讨。经试验,提出影响试验仪冲击加速度的两个主要因素:冲击速度和冲击加速度调节器材料（衬垫材料）;针对一些特定的衬垫材料,在测试其弹性压缩模量的同时,测试同一冲击速度下不同衬垫材料所产生的冲击加速度值,探讨特定的衬垫材料弹性压缩模量对冲击加速度的影响。与此同时,测试同一衬垫材料下不同冲击速度所产生的不同冲击加速度值,探讨冲击速度对冲击加速度的影响。结果表明:相同冲击速度,冲击加速度与衬垫材料弹性压缩模量呈正相关;相同衬垫材料,冲击加速度与冲击速度呈正相关。（3）测试并研究部分纺织及相关材料的粘弹性、刚度对其隔冲性能的影响,初探了这些材料对微电子器件防护效果。提出影响材料隔冲性能的主要因素:材料的自身性能和结构。测试了相应材料的弹性压缩模量、阻尼比和刚度,获得其粘弹比。在2000g加速度冲击环境下,测试这些材料的隔冲性能和对石英表表芯的冲击防护效果。结果表明:在刚度为100000N/m到350000N/m之间,经编间隔织物隔冲效果随着刚度的增加而递减;在粘弹比为12到80之间,经编间隔织物隔冲效果随着粘弹比的增加而递增;2号、3号、4号和7号经编间隔织物能够有效防护石英表表芯,而羊毛毡与丁基橡胶则不能有效防护石英表表芯。（4）借助Abaqus有限元软件对相同冲击速度下,冲击舱体冲击不同弹性压缩模量衬垫材料的冲击过程进行数值模拟与分析,验证衬垫材料弹性压缩模量与冲击加速度呈正相关这一结论的正确性,并预测不同弹性压缩模量的衬垫材料在此冲击速度下对应的冲击加速度值。

关键词：高g值冲击冲击加速度粘弹性隔冲微电子器件有限元分析

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高g值冲击下装药弹体动力学响应研究

高g值冲击下装药弹体动力学响应研究

作者：李彦超中北大学

学位级别：硕士

随着战斗部侵彻速度和侵彻深度的不断增加,其内部装药会承受高过载、高应变率的极端环境。本文以炮射战斗部为基础,采用数值模拟方法从不同方面对装药弹体在高g值冲击下的动力学响应进行研究。主要研究内容如下:对装药弹体进行模态分析... 详细信息

随着战斗部侵彻速度和侵彻深度的不断增加,其内部装药会承受高过载、高应变率的极端环境。本文以炮射战斗部为基础,采用数值模拟方法从不同方面对装药弹体在高g值冲击下的动力学响应进行研究。主要研究内容如下:对装药弹体进行模态分析得到其固有频率和模态振型,并结合Forrestal侵彻公式进行弹体侵彻数值模拟验证。结果表明:装药弹体在特定的外界激励频率下会出现轴向振动振型,在测试过程中应尽量避开相应的频率;另外,在Forrestal侵彻公式的基础上验证了本文所采用建模方法和材料模型的合理性。采用数值模拟方法对两种装药结构弹体以不同高度跌落冲击混凝土地面的过程进行研究,分析了弹体过载情况和装药应力分布,并对混凝土地面的开坑状况进行了实验验证。结果表明:不同装药结构的弹体跌落冲击过载基本相同;在跌落冲击时,装药不断振荡,药柱头部受压,尾部受拉,中部会反复受到拉压作用;此外,实弹跌落开坑状况和数值模拟结果基本吻合,进一步证明了数值仿真的合理性。采用数值模拟方法对装药弹体侵彻四层混凝土靶板进行了研究,着重分析弹体内部装药所受应力的变化规律和装药与弹体之间的相互作用。结果表明:装药弹体在侵彻多层靶板时,装药会受到多次冲击作用,头部主要受到压缩作用,尾部会受到反复的拉伸和压缩与弹体后盖发生碰撞;在侵彻过程中,装药和弹体后盖之间会产生底隙,并随着侵彻的层数规律的变化,最终侵彻完成后,装药会发生塑性变形,无法恢复变形,弹体内部的底隙会一直存在。本文通过数值模拟对装药弹体跌落和侵彻多层靶板的动态响应机理进行了研究,并结合实验测试和理论进行了进一步的分析,为后续开展装药弹体的测试和设计研究奠定了重要的基础。

关键词：装药弹体高g值冲击跌落侵彻动力学响应

高g值冲击下弹性波传递及悬浮式缓冲环境的研究

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高G值冲击下弹性波传递及悬浮式缓冲环境的研究

作者：陈春敏上海工程技术大学

学位级别：硕士

近年来,随着科技的发展、社会的进步和人民生活水平的提高,在各种场景中的硬碰撞和高速冲击现象越来越多,且越来越多的冲击场景中还伴随着较高的加速度值。一些精密的微电子器件如电池、引信、陀螺仪和导航模块等在多次或持续的高加速... 详细信息

近年来,随着科技的发展、社会的进步和人民生活水平的提高,在各种场景中的硬碰撞和高速冲击现象越来越多,且越来越多的冲击场景中还伴随着较高的加速度值。一些精密的微电子器件如电池、引信、陀螺仪和导航模块等在多次或持续的高加速度值环境中也极易发生电子装置的失效现象,如电源导线断裂,传感器或电源模块的损坏等,而这些都将造成主体飞行器的失控或破坏,从而带来巨大的经济和可能的军事上无可挽回的损失。因此,对高g值冲击环境、冲击弹性波和防护结构的研究就成为业界关注的重要方向。虽然国内外对高加速度值冲击环境的研究也有了较多的进展,但是仍然存在以下几个方面的问题:一是无论是从理论推导还是实际研究,目前尚未有人对冲击环境中冲击舱体冲击不同衬垫材料产生的加速度峰值的影响因素进行较为详细的研究并提出相关见解;二是目前高加速度值的冲击试验基本基于传统的冲击试验机、Hopkinson压杆、马歇特落锤和空气炮这四种试验平台,其测量精度不高且占地面积较大、实验危险性也较高,难以适应相关实验的研究要求;三是国内尚无课题组针对高加速度冲击环境,应用高性能纤维复合材料制作承载仪器的冲击舱体的内置舱体壳体,研究纤维材料的种类、数量、排布方式等对冲击弹性波传递及舱体内部的加速度值峰值的影响。基于以上背景,自主搭建高加速度冲击试验平台,基于Hertz接触理论对该平台上冲击舱体g值峰值关系式进行了演绎与修正;讨论并研究了该平台上冲击舱体产生加速度值峰值的影响因素;自主设计制作碳纤维、玄武岩纤维、芳纶1414纤维增强环氧树脂复合材料壳体并安装至冲击舱体中,并以此为研究对象,分别研究不同纤维与不同结构时冲击弹性波的传递规律;基于碳纤维增强环氧树脂复合材料内置舱体壳体,设计制作内设的悬浮式载台,研究“悬浮”对载台加速度峰值及峰值时间宽度的影响。本课题研究内容与研究成果主要体现在以下几个方面。(1)阐述Hertz接触理论中的刚性圆柱体对弹性半空间体碰撞所产生的加速度峰值的数学模型,基于HALL-1型微电子器件高加速度冲击试验仪的冲击体结构,对其Hertz接触理论的相关数学模型进行演绎;依据冲击试验仪对各种不同衬垫材料冲击试验的结果,拟合冲击体的加速度峰值与其运动速度的关系式,比较演绎式与试验拟合关系式加速度峰值的误差,并分析其缘由。鉴于衬垫材料弹性体不同的摩擦系数大小与以上误差大小具有一定的相关性,由此讨论冲击衬垫材料的摩擦系数影响,依此对演绎式进行误差修正。结果表明:冲击体的冲击加速度峰值与冲击体的运动速度V,质量M,冲击体与衬垫材料的弹性模量E1、E2,泊松比v1、v2,接触半径α和冲击体底面半径大小r均有关;多层衬垫材料之间及衬垫材料与冲击体之间不同的摩擦状况影响Hertz理论演绎式与试验拟合关系式加速度峰值的误差;依据摩擦系数的影响,经修正后,摩擦系数较小的衬垫材料,其演绎式与试验拟合关系式加速度峰值的误差可降低到容许范围之内。(2)以冲击舱体内置悬浮式载台的壳体材料为研究对象,研究不同的高性能纤维材料(碳纤维、玄武岩纤维和芳纶1414纤维)、不同的排布方式(水平排布或竖直排布)和不同的纤维总量对悬浮式载台g值峰值大小的影响。结果表明:采用碳纤维复合材料壳体的吸能储能能力较其他两种高性能纤维弱,玄武岩纤维为最强;对于同样排布方式同种纤维复合材料壳体,纤维用量多的比纤维用量少的壳体吸能能力更强;同样的纤维排布方向,冲击弹性波在碳纤维复合材料壳体中的传递速度较快,玄武岩纤维传递速度较慢;且同种高性能纤维复合材料壳体,纵向排布高性能纤维其冲击弹性波传递速度较快;所有规格的高性能纤维复合材料壳体对峰值持续时间都有着较好的缩小作用,相比较冲击舱体的加速度峰值持续时间,有高性能纤维增强的悬浮式载台的g值峰值持续时间约缩小50%左右。(3)以碳纤维复合材料壳体的内置舱体和悬浮式载台为研究对象,从冲击弹性波震源、冲击弹性波传递、悬浮式载台与内置舱体聚丙烯膜壁之间的摩擦、悬浮式载台下的衬垫材料的弹性模量等多角度,进行1.8m/s-5.5m/s冲击速度的冲击试验,研究内置舱体内的载台的“悬浮”方式对降低冲击加速度峰值的影响。结果表明:冲击舱体在1.8m/s～5.5m/s的冲击速度范围内,悬浮式载台g值峰值直接受冲击舱体冲击衬垫材料时产生的弹性波强度的影响,且震源冲击强度越大,悬浮式载台g值峰值越大;冲击弹性波在传递过程中受悬浮式载台下的衬垫材料吸能能力影响,其吸收的能量越多,悬浮式载台g值峰值越小;另外,悬浮式载台g值峰值还受到载台与内置舱体内壁摩擦力和载台下方的衬垫材料弹性模量的影响,悬浮式载台与内置舱体内壁之间的摩擦力越小,悬浮式载台g值峰值越小,而悬浮式载台下衬垫材料的弹性模量(实验范围为9kPa～31kPa)越大,悬浮式载台g值峰值越小,其g值峰值发生时间也相对滞后。以上研究结果可为高加速度值冲击环境下冲击舱体内置的微电子器件的防护研究提供相关的实验依据与研究思路,具有积极的实际应

关键词：高g值冲击冲击弹性波 g值峰值 Hertz接触理论高性能纤维悬浮式缓冲环境

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高g值加速度冲击试验技术研究

振动与冲击 2011年第4期30卷 241-243,253页

作者：徐鹏祖静范锦彪中北大学电子测试技术国家重点实验室太原030051

根据弹体高速侵彻硬目标过程中加速度测试的特点,研制了高g值冲击试验装置。它由一级空气炮、加速度存储测试装置、炮弹、反射式激光测速仪和激光多普勒测速仪等组成,并在该冲击试验装置上进行了弹载加速度存储测试装置的高g值冲击试验... 详细信息

根据弹体高速侵彻硬目标过程中加速度测试的特点,研制了高g值冲击试验装置。它由一级空气炮、加速度存储测试装置、炮弹、反射式激光测速仪和激光多普勒测速仪等组成,并在该冲击试验装置上进行了弹载加速度存储测试装置的高g值冲击试验。采用泡沫铝缓冲件对记录电路模块进行缓冲保护,利用光栅作为合作目标,由两套激光多普勒测速仪同时记录冲击过程中测试装置外壳和电路模块的激光频移信号,处理可得到二者的加速度——时间曲线,比较了泡沫铝的高g值缓冲效果。

关键词：加速度高g值冲击空气炮缓冲

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电池抗高g值冲击的性能测试方法

探测与控制学报 2015年第1期37卷 67-71页

作者：王燕马铁华范锦彪中北大学电子测试技术重点实验室山西太原030051

针对弹载存储测试仪用电池抗高g值冲击的性能测试问题,提出以Hopkinson杆为加载手段,利用差动式激光多普勒干涉仪绝对复现冲击加速度值。该方法分别将4种型号的电池以水平和垂直方向放置进行高过载冲击试验,结果表明:电池瞬间掉电主要... 详细信息

针对弹载存储测试仪用电池抗高g值冲击的性能测试问题,提出以Hopkinson杆为加载手段,利用差动式激光多普勒干涉仪绝对复现冲击加速度值。该方法分别将4种型号的电池以水平和垂直方向放置进行高过载冲击试验,结果表明:电池瞬间掉电主要受加速度峰值影响,固态聚合物锂离子电池的抗冲击性能最高为20万g,而且该性能与冲击方向有关。侵彻钢板试验进一步验证了Hopkinson杆试验的结果,为高过载条件下弹载仪器的电源选用提供依据。

关键词：电池高g值冲击 Hopkinson杆性能测试瞬间掉电