高速應急離機時頭盔夜視鏡運動仿真分析

胡雪鵬++李磊子

摘 要：該文通過對高速彈射時夜視鏡分離后的運動過程進行仿真分析，使用穩(wěn)態(tài)CFD、多體運動仿真迭代方法，對夜視鏡分離后的運動軌跡、姿態(tài)和速度進行仿真，研究在高速氣流吹襲下夜視鏡是否會對人體造成傷害。

關鍵詞：夜視鏡 多體運動 CFD

中圖分類號：V223.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（b）-0001-02

隨著現(xiàn)代軍事技術的發(fā)展，空戰(zhàn)環(huán)境日益復雜和惡化，夜間作戰(zhàn)由于具備突防性強和隱蔽性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為一種重要的空戰(zhàn)形式。

配備夜視系統(tǒng)的頭盔對于空軍夜間作戰(zhàn)具有重要的意義，除具備一般頭盔的功能外，還能夠顯示微光條件下的環(huán)境圖像，增強飛行員夜間觀察和目標搜索能力，提高武器作戰(zhàn)效能，減少飛行事故。

國內(nèi)某型殲擊機需要增加夜視鏡，但由于夜視鏡可能與護目鏡發(fā)生干涉、夜視鏡支座結構強度無法滿足高速應急離機時的強度要求等原因，夜視鏡必須在應急離機前分離，而夜視鏡下落正好處于艙蓋開啟過程中，高速氣流會作用在夜視鏡上，因此需對高速應急離機時夜視鏡可能造成的傷害進行分析。

1 仿真說明

1.1 仿真類型

由于夜視鏡下落既要考慮夜視鏡的運動，又要在運動中考慮其受到的氣動力，是典型的流固耦合問題，求解較為困難，所以對于工程問題，可以嘗試工程上能夠接受的近似解決方法。

1.2 仿真環(huán)境和方法

仿真使用NUMECA進行穩(wěn)態(tài)CFD仿真計算，使用Adams進行多體運動仿真計算。具體計算步驟為：采用Adams進行動力學計算，得到第一個計算工況下夜視鏡的軌跡和姿態(tài)，將計算得到的夜視鏡模型和相對應的艙蓋模型導入氣動仿真軟件NUMECA中進行氣動力計算，得到夜視鏡第一個計算工況下質(zhì)心處受到的氣動力和氣動力矩；再將計算得到的氣動力和氣動力矩代入Adams中，作用在夜視鏡上得到第二個計算工況下夜視鏡的軌跡和姿態(tài)，重復上述步驟，對計算的氣動力進行插值，得到夜視鏡與人體發(fā)生碰撞時的速度。

2 仿真工況

根據(jù)工程需要，該次仿真計算速度為1 300 km/h，以夜視鏡開始運動為時間零點，對六個計算工況進行CFD計算，見表1。

3 仿真過程

該次仿真坐標原點定義在頭盔重心，位于縱向對稱面，X方向由后向前，Y方向由下到上，Z方向根據(jù)右手定則確定。

3.1 仿真建模

夜視鏡通過solidworks軟件導出x_t文件，導入Adams中。

3.2 仿真初始參數(shù)

夜視鏡初始質(zhì)心坐標為X=153 mm，Y=36 mm，Z=0 mm；夜視鏡受到火藥燃爆作用，初始速度為1 m/s，方向斜向下45°，角速度為720°/s。夜視鏡受到重力和氣動力作用。

3.3 運行仿真

該次仿真使用插值方法求解微分方程，分析精度設為1.0E-3，仿真時間從夜視鏡火藥燃爆時刻開始，設置傳感器判斷當夜視鏡與人體發(fā)生碰撞時仿真結束。

4 各工況仿真計算結果

4.1 夜視鏡軌跡計算結果

夜視鏡軌跡計算結果見表2。

4.2 氣動力計算結果

氣動力計算結果見表3。表中Fx、Fy、Fz分別代表X方向、Y方向、Z方向的作用力。

氣流速度矢量圖見圖1。

4.3 碰撞速度計算結果

夜視鏡與人體相撞時的撞擊速度為1.5 m/s。

5 仿真結果分析及結論

5.1 仿真結果分析

夜視鏡在下落過程中進入高速氣流區(qū)域又離開高速氣流區(qū)域，高速氣流吹襲對夜視鏡作用時間短，對夜視鏡的運動影響不大，夜視鏡與人體的撞擊速度較低，不會對人體造成傷害。

5.2 仿真結論

使用流固耦合方法計算高速復雜變化環(huán)境下物體的運動具有非常大的難度，對計算機硬件要求高，計算周期長。應用多體動力學分析和穩(wěn)態(tài)CFD相結合的方法近似地計算工程設計中物體的運動情況，工作量小、時間周期短，有一定的工程應用意義。

參考文獻

[1] 鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].機械工業(yè)出版社，2002.

[2] 王福軍.計算流體力學動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.