導(dǎo)彈遇靶碰撞的過(guò)載仿真分析

楊娜+陳虎林??

摘要： 通過(guò)LS-DYNA顯式動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件對(duì)導(dǎo)彈遇靶的幾種典型狀態(tài)進(jìn)行模擬， 用簡(jiǎn)化模型分析了導(dǎo)彈和靶機(jī)碰撞時(shí)頭部的過(guò)載情況。 結(jié)果表明：最大過(guò)載并非發(fā)生在碰撞初始時(shí)刻， 而是在碰撞進(jìn)行到一定程度時(shí)； 隨碰撞時(shí)彈軸與靶機(jī)軸夾角減小， 最大過(guò)載減小。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)彈； 靶機(jī)； 過(guò)載； 碰撞； 顯式動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類號(hào)： TJ760.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2017）01-0062-06[SQ0]

0引言

隨著空空導(dǎo)彈導(dǎo)引精度的提高， 導(dǎo)彈與目標(biāo)碰撞的概率增大， 觸發(fā)引信在引戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要性也隨之提高。 空空導(dǎo)彈觸發(fā)引信的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括靈敏度、 作用時(shí)間， 這兩個(gè)指標(biāo)受引信安裝部位、 彈道環(huán)境、 碰撞條件、 目標(biāo)特性等因素的影響[1]。 從安全的角度要求， 引信軸向過(guò)載小于某一值g1時(shí)， 不得觸發(fā)引信； 從工作角度要求， 縱向過(guò)載大于g2時(shí)， 引信必須觸發(fā)。 因此， 了解導(dǎo)彈與目標(biāo)碰撞時(shí)的過(guò)載情況十分重要。 本文采用將沖擊動(dòng)力學(xué)與有限元相結(jié)合的分析方法， 可以解決彈目碰撞沖擊動(dòng)力學(xué)計(jì)算問(wèn)題。

在沖擊動(dòng)力學(xué)方面， 已經(jīng)有鳥(niǎo)撞飛機(jī)風(fēng)擋[2-4]、 汽車碰撞以及浪擊艦船[5]、 軍用飛機(jī)救生彈射座椅[6]、 艦載機(jī)著艦攔阻索[7-8]等方面的分析。 目前， 針對(duì)彈目碰撞沖擊過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算尚不多見(jiàn)。

本文以空空導(dǎo)彈撞擊靶機(jī)為例， 利用LS-DYNA商業(yè)有限元分析軟件， 采用顯式動(dòng)力學(xué)分析方法模擬了彈目碰撞過(guò)程， 考察了彈目碰撞時(shí)的過(guò)載， 為觸發(fā)引信的設(shè)計(jì)描述了動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

1結(jié)構(gòu)模型及材料參數(shù)

1.1結(jié)構(gòu)模型

以空空導(dǎo)彈和某型靶機(jī)為背景，建立分析模型。

考慮導(dǎo)彈天線罩與靶機(jī)首先發(fā)生碰撞的情況， 在建立簡(jiǎn)化模型時(shí)， 保持真實(shí)模型的質(zhì)量、 質(zhì)心、 外部結(jié)構(gòu)材料屬性等數(shù)據(jù)參數(shù)， 對(duì)內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)用附加質(zhì)量代替， 關(guān)注彈目相遇時(shí)， 導(dǎo)彈天線罩結(jié)構(gòu)上的過(guò)載。

導(dǎo)彈模型如圖1所示。

本文分析導(dǎo)彈遇靶問(wèn)題時(shí)， 以靶機(jī)中心軸為X坐標(biāo)， 機(jī)頭頂點(diǎn)為原點(diǎn)， 導(dǎo)彈接觸靶機(jī)時(shí)， 假設(shè)彈軸與靶機(jī)中心軸共面， 并且導(dǎo)彈天線罩頂點(diǎn)與靶機(jī)接觸， 僅對(duì)表2中的六種假設(shè)工況進(jìn)行分析。

采用有限元顯式動(dòng)力學(xué)方法求解， 假設(shè)靶機(jī)以200 m/s的速度飛行， 導(dǎo)彈以700 m/s的速度接近， 根據(jù)表2所列的工況分別進(jìn)行計(jì)算， 在導(dǎo)彈遇靶時(shí)， 采用面面侵蝕接觸考慮靶機(jī)殼體與導(dǎo)彈殼體之間的作用。

導(dǎo)彈天線罩與導(dǎo)彈彈身采用固支連接模擬陶瓷天線罩與連接環(huán)之間的連接， 連接環(huán)與彈身之間以及各艙段之間的楔塊連接也均用固支連接簡(jiǎn)化模擬。

根據(jù)表1中所列參數(shù)對(duì)各個(gè)部分模型進(jìn)行材料定義， 在本文分析過(guò)程中， 只考慮很短的碰撞時(shí)間， 單元失效刪除后不存在大變形問(wèn)題， 故對(duì)各個(gè)部分均采用了相同的殼單元THIN SHELL 163，單元采用縮減積分， 運(yùn)算速度較快。 在劃分網(wǎng)格時(shí)， 靶機(jī)頭部及導(dǎo)彈天線罩采用四節(jié)點(diǎn)殼單元， 自由劃分網(wǎng)格， 導(dǎo)彈舵翼面采用三節(jié)點(diǎn)殼單元， 靶機(jī)及導(dǎo)彈其他部分均為四節(jié)點(diǎn)映射網(wǎng)格， 如圖3～4所示， 天線罩進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)， 采用空間比例布種， 從天線罩頂點(diǎn)到底部由密到疏形成自由網(wǎng)格， 如圖4所示。 靶機(jī)10 226個(gè)單元， 天線罩6 726個(gè)單

3計(jì)算結(jié)果

前處理完成后， 根據(jù)表2的內(nèi)容分別進(jìn)行計(jì)算， 導(dǎo)彈速度為700 m/s， 在分析中僅考慮靶機(jī)表面與導(dǎo)彈陶瓷天線罩碰撞。 在導(dǎo)彈遇靶時(shí)， 天線罩與靶機(jī)碰撞破碎后， 罩體內(nèi)雷達(dá)陣面也隨之與靶機(jī)碰撞。 雷達(dá)陣面碰到靶機(jī)的時(shí)間約為0.5 ms， 故僅對(duì)0.5 ms內(nèi)， 彈靶相遇的各工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1工況1

工況1為導(dǎo)彈從靶機(jī)前端側(cè)面垂直進(jìn)行碰撞， 圖5為彈目相遇的有限元模型。

碰撞0.195 ms后， 達(dá)到第一個(gè)過(guò)載峰值， 天線罩底部與彈身結(jié)合部位某一點(diǎn)的過(guò)載為3 654 m/s2， 在0.425 ms時(shí)達(dá)到最大過(guò)載， 為23 251 m/s2。

根據(jù)圖顯示， 最大過(guò)載并非發(fā)生在碰撞初始時(shí)刻， 而是發(fā)生在碰撞進(jìn)行到一定程度時(shí)， 這符合碰撞的物理過(guò)程。 碰撞時(shí)， 結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞之前的變形逐漸增大， 產(chǎn)生的恢復(fù)力亦逐漸增大， 由此產(chǎn)生的振蕩加速度逐漸增大。

3.2工況2

工況2為導(dǎo)彈從靶機(jī)前端側(cè)面60°夾角進(jìn)行攻擊， 圖10為彈靶相遇的有限元網(wǎng)格模型。

罩底部與彈身結(jié)合部位某一點(diǎn)的過(guò)載為2 297 m/s2， 在0.477 ms時(shí)達(dá)到最大過(guò)載， 為9 685 m/s2。

4結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)導(dǎo)彈與靶機(jī)碰撞時(shí)幾種不同的工況進(jìn)行分析， 對(duì)天線罩部位遇靶時(shí)， 罩體與彈身結(jié)構(gòu)接合面位置的過(guò)載進(jìn)行計(jì)算分析， 結(jié)果表明：

（1） 最大過(guò)載并非發(fā)生在碰撞初始時(shí)刻， 而是發(fā)生在碰撞進(jìn)行到一定程度時(shí)， 這符合碰撞的物理過(guò)程；

（2） 隨碰撞時(shí)彈軸與靶機(jī)軸夾角減小， 最大過(guò)載減小；

（3） 引信設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在碰撞最小夾角情況下， 最大過(guò)載仍能滿足觸發(fā)條件。

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