基于ANSYS/LS-DYNA的电子装备爆炸冲击振动损伤建模研究

　　现代战争中,冲击振动已经成为导致电子装备损伤的重要原因之一。据统计,由于机械振动与爆炸冲击振动引起电子产品失效的比例多达50% ~60%[1]。但是由于爆炸动力学过程十分复杂,受外界因素(如炸药性质、与振源的距离、地面介质等)影响很大,因而很难获得一个比较精确的解析模型。目前冲击振动对电子产品影响的研究,主要限于直接在单个部件局部上施加正弦或矩形波等等效载荷的试验方式进行,忽略了振源特性和传播介质等因素的综合影响,因而具有较大的局限性。笔者采用ANSYS/LS-DYNA流固耦合技术,综合考虑冲击振动环境因素,研究电子装备爆炸振动损伤模型,为电子装备战损仿真研究提供理论基础。

　　1　电子装备爆炸冲击振动损伤

　　1·1　爆炸冲击振动特性

　　爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内快速释放或急骤转化的现象。其对外界做功的根本原因是:系统爆炸反瞬间形成的高温和高压气体骤然膨胀,使在炸点周围介质发生急剧的压力突跃,这种压力突跃作用于岩土介质产生超压,引起了地面的振动。某项爆炸试验获得了地面振动加速度与时间的历程图[2],如图1所示,显示了距爆源11 m处地面振动的竖向峰值加速度随时间的变化情况。

　　从图1中可以看出,地面振动的竖向加速度开始时近乎为0,而后是一个急剧上升的过程,到达一定值后又迅速衰减,这就是爆炸冲击振动非常显著的一个峰值特性。

　　1·2　损伤机理

　　爆炸振动对电子装备的损伤主要包括2个方面: 1)装备部件在某一激振频率下瞬时加速度超过设备所能承受的极限值或出现共振而导致破坏; 2)由于振动加速度引起应力长期作用而使产品疲劳破坏。由于爆炸冲击振动其作用时间很短,持续时间只有几至几十ms,主脉冲之后的振动衰减很快,所以造成装备破坏是以瑞利波竖向峰值破坏为主,疲劳破坏次之[3]。笔者主要研究具有显著特性的爆炸振动峰值加速度对电子装备造成的损伤。

　　2　电子装备爆炸冲击振动损伤模型研究

　　2·1　损伤模拟的实现方案

　　1)运用单自由度等效模型进行目标装备的整体分析。一般说来,电子装备的机械结构比较复杂,自由度叠加程度比较高,但许多产品可等效或分解为单(多)自由度线性系统模型,如图2所示。本文中建立的模型就是经过等效的单自由度电子装备整车仿真模型。

　　2)以加速度为损伤阈值建立判定标准。电子装备模型内部某一区域的加速度值超过预定加速度值,就判定其附属部件发生故障。

　　3)进行参数等效。根据装备实际工作特性,采用等效或换算的方法,将各组成要素技术指标转化为ANSYS/LS-DYNA程序中的相应系统参数。