抗高过载技术分析课件.ppt（48页）

1、抗高过载技术抗高过载技术过载过载 广义概念，基本含义是过量、过度。技术领域技术领域表征用物理量表征用物理量应用范围应用范围电学电流、电压、功率等电动机、继电器、电度表、电网、电子元件等力学机械冲击、恒定加速度、液压、气压、刚体应力等传感器、制动器、压力机、飞机、火箭、弹药等热学功率、热能、温度等机电、光电类设备和仪器、电子元件等通信系统吞吐率、CPU使用率、缓存或队列使用率等各类通信设备、系统医学过载加速度过载状态下航空、航天飞行器中的人员及其身体器官 不同领域：与过载相对应，高过载(high overload)的含义可解释为“十分过量”、“十分过度”，意即过载已经达到相当高的程度。高过载高过

2、载相对同一过载强度，在一种场合是高过载，在另一种场合可能就不能称之为高过载，甚至连过载也算不上。飞行员几个g的加速度环境就已经处于过载状态，10 g则为高过载 环境。弹药系统过载状态下的加速度通常达千 g以上，在高过载状态下可达万 g、数万 g甚至10万 g以上。弹药系统的冲击、振动环境振动环境主要来源于运输系统发射前冲击振动环境分析公路运输 各种车辆与路面 10g以内铁路运输 各种条件与方向 10g以内空中运输 固定翼机与直升飞机 10g以内水上运输船舶10g以内航炮射击时可达100 g左右弹药系统的冲击、振动环境冲击环境 一般小于10g公路运输 正常运行状态下小于2g，车辆挂钩时高达30g

3、50g，刹车和间隙碰撞达100g以上铁路运输 一般不超过12g飞机运输 一般在10g以内水上运输弹药系统的冲击、振动环境 发射前装填上膛时受到的装填力 主要包括直接碰撞力和冲击惯性力。 装卸冲击 : 通常不超过10g直接碰撞力因不正确操作使引信碰撞炮尾或因输弹而产生。冲击惯性力是由于送弹运动的突然停止而产生的前冲力。对于某些武器此惯性力产生的冲击加速度可达10000g以上，如25mm高射炮的这种前冲加速度达(10.3-12.7)x103g。弹药系统的冲击、振动环境发射后冲击环境分析 发射周期内，弹体主要受后坐惯性力和离心力冲击作用引信种类引信种类冲击加速度（冲击加速度（g）引信种类引信种类冲击

4、加速度（冲击加速度（g）地面炮榴弹引信100020000迫击炮弹引信3009000火箭弹引信106000特种弹引信50015000破甲弹引信100040000海军专用炮弹引信90080000高射炮弹引信300045000航空炮弹引信5000080000航空火箭弹引信20200穿甲弹引信20030000弹道末期，通常以每秒几千英尺的高速穿入地面、混凝土、岩石或其它坚硬物质，其运动的平均加速度高达2万g，最大冲击加速度甚至达十万g乃至数十万g。弹药系统的冲击、振动环境发射周期后的冲击主要表现为在弹道上碰到障碍物时的冲击，尤其是侵彻类弹药，如钻地弹、爆破弹、各类尖头弹等。抗过载哪些部件需要抗过载？抗

5、过载装药电子元件机械机构装药应力波作用阶段整体惯性作用阶段发射初期时，转速较低，混合燃料离心作用较小混合燃料与壳体壁面的摩擦力较小弹体的纵向过载致使混合燃料与壳体端盖碰撞，在燃料介质内部产生应力波燃料介质内部的应力波到达顶部混合燃料成为不可压缩介质(刚体)混合燃料介质内部不再发生变形，混合燃料底部的应力成为这一阶段安全发射的主要因素电子元件对于在车载装备、炮射弹药、侵彻弹药等高过载条件下工作的电子系统,要求其在经受高强度的加速度冲击之后,仍能正常工作。在这种情况下,耐高过载便成为其中所包含的电子分系统、电子整件、部件及电子元器件的一项必不可少的基本要求。试验方法试验方法试验方法实弹射击马歇特锤

6、击落锤冲击霍普金森杆空气炮加载试验方法试验方法实弹射击试验方法实弹射击试验方法这种方法是最早使用的一种产生高过载加速度的试验方法，并且其过载过程与实际过程最为接近。不足：这种方法过程难以控制，火药燃烧较快，气体瞬间膨胀产生的高压力以及温度对身管内部的烧蚀很严重，并且火药的非平面燃烧会对管体造成横向振动，安全可靠性不高，而且试验成本较高。所以这种方法主要用于测试弹丸着靶时的装药抗过载能力。试验方法试验方法落锤冲击试验方法落锤冲击试验方法该方法利用一质量块在一高度自由落体冲击试件。目前这种方法可以达到的最大过载加速度为几万g。不足：对于质量较小的精密电子元器件会造成损坏。试验方法试验方法马歇特锤击

7、试验方法马歇特锤击试验方法该方法是传统的试验方法，其工作原理是用重力对冲击锤加速，使其打击砧子，利用击锤碰击砧子产生的惯性力使试验件具有过载加速度。该实验方法操作简便，易于实现。缺点：加速度的分布空间较大，同样的试验测得的过载加速度值差异很大。试验方法试验方法霍普金森杆试验方法霍普金森杆试验方法其工作原理是以压缩气体作为动力源，发射子弹撞击霍普金森杆的一端，在杆内产生一个波形近似于方波的压縮波，通过杆传到另一端的试件上。该方法可以获得的过载值大，与马歇特锤击相比，作用时间相当，过载值更大。试验方法试验方法自由式霍普金森杆可以模拟30000 g及更高的过载值，最高过载值可达250000 g，过载

8、加速度脉宽约为数十微秒。 试验方法试验方法空气炮加载试验空气炮加载试验其工作原理是利用高压气体为动力源，使得试验弹体带着试件在身管内完成加速运动，达到过载作用目的。这种方法试验成本较低、易于操作、使用性好，目前使用最为广泛。空气炮是通用的高速发射和高压加载工具。它可以发射从百米每秒到万米每秒速度的不同形状和材质的弹体，弹丸连续可调而且重复性良好，是高速撞击和超高速撞击的主要实验手段。起初得到发展的是单级压缩气炮,它的弹速通常小于1500 m/s，主要用来做材料动力学、侵彻和高速撞击现象的规律研究实验。随着航天技术和太空动能武器的发展，超高速撞击实验的需求随之变得重要起来，二级空气炮也就随之问世

9、，其最大弹速通常为 4000-8000 m/S。试验方法试验方法来源：炮射导弹高过载环境模拟试验技术研究罗建华试验方法试验方法试验台为大过载一次性冲击火药技术综合试验台，用于检查被试产品承受轴向启动加速度作用能力，同时可以检查产品承受轴向制动加速度作用的能力。试验台是主发射药在药筒中燃烧形成的气体压力作用下，对装有被试产品的容器载体产生瞬间加速，产生的加速度作用在被试产品上，该产品经历过载考核，从而完成试验。工作过程：试验方法试验方法传统加速度测压铜柱测量法此方法适用于炮射末制导导弹的器件、部件等的冲击试验加速度2500g以上，作用时间在26 ms，相关产品的环境适应性和工艺试验。铜柱测量法是

10、利用金属受力产生塑性形变的特性，通过测量测压铜柱的变形量，确定其受到的作用力，从而得出加速度的一种物理测量方法。来源：炮射导弹高过载环境模拟试验技术研究罗建华2022-3-24试验时,将测量装置与试件钢性连接到试验舱的运动体上,当气体或火药作用产生瞬间强冲击，惯性体由于惯性不会立即随导向安装装置向前移动，而是相对导向安装装置在惯性体运动腔内反向移动，压缩测压铜柱，使测压铜柱产生塑性变形。测量装置与试件钢性连接，可以认为测得测量装置所受的加速度即为试件得加速度。工作原理：试验方法试验方法仿真方法仿真方法Ansys Ls-dyna抗高过载方法装药抗高过载装药工艺装药结构炸药配方抗高过载方法炸药配方

11、采用浇注 PBX 炸药来替代早期广范使用的 TNT 或 H6、Tritonal 炸药提高爆炸威力提高弹药装药的安全性和环境适应性浇注 PBX炸药类似弹塑性体，它可以吸收过载应力，抗过载能力较高，优于其它品种的混合炸药优点抗高过载方法装药结构 炸药装药设计为一体（不是分段或分块），封闭在几乎不变形的弹体内腔中，可有效克服弹体侵彻时因轴向或横向过载发生较大形变或位移，减缓了装药内部因喷射、相互冲击、摩擦生热、绝热剪切等引起的“热点”效应 在药室前端预置惰性缓冲组件 在弹壳内表面涂覆复合高分子惰性涂层，使装药与壳体隔离，避免因装药与壳体弹壁的摩擦生热引起“热点”效应；大幅度减少装药中孔洞、裂纹、间隙

12、等疵病的产生，减弱内孔的塌陷，以及孔洞周围塑性变形的粘性生热 尾部设计有轴向惰性缓冲物，改善传爆管的受力环境，减小装药尾部因绝热剪切引起的“热点”效应抗高过载方法装药工艺真空浇注控温固化工艺方法该工艺方法是将药料置于抽空减压条件下的设备中，将药料浇入弹壳，经自然流平，然后关闭真空，将浇注好的物料在控温条件下固化。在浇注过程中，抽真空可使药料内部的气体和易挥发物移至表面而逸出，提高装药的密实性，从而使装药质量的一致性好抗高过载方法机械结构选用高强度材料加大结构承受力部位尺寸改善结构件受力方向,使结构强度高的部位能承受高冲击载荷加冲击减振装置,降低作用在结构上的载荷从提高结构自身强度的角度考虑的,

13、 只能用于新设计的部件后两种途径是从结构外部降低作用在结构受力面上的压力考虑的, 可用于改善成品部件的抗高过载性能 采用高强度材料、精密加工制作零件，通过改善各部件的连接关系，对结构进行封装固化等措施来提高结构本身的抗高过载能力 改善结构的受力环境，即增加隔振缓冲装置，利用减振元件的储存和耗散能量机制，减小传递到零件上的冲击峰值，降低高过载环境对结构体的影响抗高过载方法电子元件 抗高过载MEMS惯性器件 混合集成电路抗高过载技术的研究抗高过载MEMS惯性器件抗高过载技术的研究硅MEMS加速度传感器高过载MEMS加速度传感器可应用于商业、军事和空间技术等诸多领域，尤其是在军事领域具有非常重要的应

14、用价值，如控制侵彻弹药引信在预定层数起爆、监测核爆破的冲击过程、武器研制过程中的高过载测试等，其中最典型的应用则是硬目标的侵彻或贯穿装甲。抗高过载技术的研究国外发展状况:目前，国外已成功地研制出了许多性能优良的高过载惯性器件，例如高过载加速度计和高过载陀螺。但由于高过载的 MEMS 惯性器件一般都应用于军事方面，因此其公开的资料比较少，可供参考的数据也比较少。 抗高过载技术的研究1985 年，德雷伯实验室(CSDL)在美国军方合同的资助下，开始研制可满足于军用惯性系统所要求的低成本微型惯性器件，在 1996 年研制出量程为 10 万 g 的加速度计。1989 年，美国模拟器件(AD)公司开始研

15、究叉指式电容微加速度计，在 1993年开始投产，现已形成 ADXL 产品系列。在模拟炮弹发射环境的冲击台和空气炮上进行过载冲击试验，该产品可以承受超过 6 万 g 的冲击。抗高过载技术的研究20 世纪 90 年代，美国 Endevco 公司生产了用于武器系统的引信和高冲击测试等方面的 7270 系列加速度传感器，其敏感元件结构和封装结构如图 所示。该传感器采用 2m 直径的焊丝，利用环氧材料将芯片封装起来，因此能够抵挡20万g的加速度冲击。在霍普金森棒冲击测试中，该加速度传感器的量程达到10万g。抗高过载技术的研究20 世纪 90 年代末，利用表面微机械加工技术，美国圣地亚国家实验室研制出一种

16、用于钻地武器的高 g 值加速度计，如图 所示。加速度计的结构由参考电容、检测电容和支撑梁组成。检测电容由定极板和动极板组成，定极板与传感器基座连在一起，动极板由梁支撑在定极板的上方。该加速度计材料选用多晶硅，其量程可达到 5 万 g。抗高过载技术的研究如图 所示为美国 NASA 中心研制的单晶 6H-SiC 压阻式加速度计。主要应用于高温、高电磁场等特殊场合，这些特殊场合对常规的硅传感器提出了考验，而碳化硅的半导体特性使其在这种特殊场合有着巨大的应用前景。抗高过载技术的研究现状高G值加速度计已被应用于炮弹引信、激光制导炸弹和巡航导弹中 美国 ADI公司、ENDEVCO公司应用目标瞄准了汽车防撞

17、气囊、测量仪器和军事领域 美国的CSEM，CROSSBOW和MOTOROLA公司以及UC berkley， Standford等著名大学抗高过载技术的研究国内发展状况:目前，我国在该方面的研究还处于实验室研制阶段，研制单位包括清华大学、东南大学、北京大学、中电科技第四十九研究所、哈尔滨工业大学、上海微系统所、信息产业部 13 所等。北京大学微电子所研制的高过载压阻式加速度计，其结构如图 所示，量程为 5 万 g。该加速度计在结构上采用具有压膜阻尼调整和限位过载保护的“三明治”结构，实现了芯片级封装。在中间敏感结构层上设计了独特的梁膜结构，在敏感方向上保证了结构具有足够的灵敏度，有效的抑制了其它

18、非敏感方向上的灵敏度。抗高过载技术的研究204 所研制的 988 压电加速度计，其结构如图 所示，量程为 10 万 g，频率响应为 25KHz，幅值线性为10%，电荷灵敏度为 0.4-0.7pc/g，最大横向灵敏度比10%。抗高过载技术的研究上海微系统研究所用体硅微系统技术（包括 DRIE 技术）制作了一种双等质量块的等宽薄板结构的高过载加速度计，理论分析其最大量程为 20 万 g，冲击灵敏度为 1.43v/g，固有频率优于 200KHz。抗高过载技术的研究目前，国外高G值加速度传感器量程已达20万g，国产传感器的量程可达10万g。我国虽然近几年在理论和实验方面取得一定的进展，但无论是通过表面

19、微机械加工还是体微机械加工，样机在抗高过载能力方面都存在较大的技术难点。在实际工程中，器件结构的设计，阻尼的设计，线路的设计以及封装技术等方面都存在或多或少的问题，与国际上的先进水平还有着很大的差距，因此还需要更多的研究，设计出满足高过载环境下所需求的产品。抗高过载技术的研究 采用微机械限位结构法来提高梁岛型压阻式加速度传感器的抗过载能力，并探索优化设计的方法 研究采用整体式悬臂梁结构高G值MEMS传感器的结构和动力学模型，探索此类结构的高过载保护方法 对高G值MEMS加速度传感器进行有限元模拟，对传感器的封装结构进行频域分析和时域分析，研究封装材料对传感器振动模态和输出信号的影响抗高过载技术

20、的研究MEMS加速度传感器抗高过载技术研究 研究高G值MEMS加速度传感器的动态校准方法、校准装置及相应的动态数学模型 基于有限元模拟和经验数值相结合的办法，研究电容式高G值MEMS加速度传感器的设计方法，并采用硅溶片工艺以及外围电路和表头的一体化设计方法，以提高传感器的抗高过载性能。抗高过载技术的研究MEMS加速度传感器抗高过载技术研究混合集成电路抗高过载技术的研究 耐高过载基板设计制造技术 元件和基板耐高过载组装互连技术 耐高过载封装技术 耐高过载试验和检测分析技术2022-3-24抗高过载方法耐高过载HIC基板制造技术来源：军用微电子器件耐高过载技术研究-金家存 LTCC(低温共烧陶瓷)

21、落片过程和操作方法厚膜基片是芯片、电容、电阻、导带、介质浆料等的载体,同时又与封装外壳相连,是耐高过载的重要部件。必须具备稳定的耐高过载特性、高的热导率、低的电导率及好的热稳定性,能够承受高温和低温的工作循环要求,多层电路技术是增加电路的密度、获得更高系统性能、提高产品可靠性的推动力,在厚膜工艺中,多层电路技术是一种顺序加工的工艺过程,多层是通过依次一层层地印刷烧结导体层和绝缘层而建立起来的2022-3-24 耐高过载组装互连加固技术电路机械冲击试验的失效模式主要是基板粘接失效,失效现象具体表现为基板出现裂纹、断裂或是碎裂。因此,要提高电路的抗高过载水平,首先就要解决基板粘接的可靠性问题。当前,已摸索出适用的工艺技术方法,使典型金属封装HIC的抗高过载水平可达3000g抗高过载方法2022-3-24抗高过载方法 耐高过载封装技术高过载电路通常被封装于金属管壳中,成为一个自持系统,对器件起到固定和保护作用,有利于抵抗高冲击作用。封装要求如下:抗强冲击和振动;避免热应力对芯片的影响及提供可靠的引线方式LTCC基板与封装的一体化制造MCM-C组装封装工艺