专利名称：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。
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。
具体实施例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 σamin，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vamin ；
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τ ；
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
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号G01D11/24GK102279014SQ20111017908
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者任勇峰, 刘俊, 孙韬, 张庆志, 张文栋, 石云波, 秦丽, 马喜宏 申请人:中北大学