虛擬振動技術(shù)在防空導(dǎo)彈研制中的應(yīng)用

段宇霆

摘要：在防空導(dǎo)彈研制階段，準(zhǔn)確預(yù)示導(dǎo)彈在使用環(huán)境條件下的振動響應(yīng)對評估、考核彈體結(jié)構(gòu)及彈載設(shè)備的抗振性能和使用性能有重要意義。本文開展基于虛擬樣機的全彈虛擬振動技術(shù)研究，在設(shè)計階段利用有限元仿真技術(shù)來模擬導(dǎo)彈在使用環(huán)境條件下的振動;依據(jù)虛擬振動數(shù)據(jù)為導(dǎo)彈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供支撐，避免導(dǎo)彈因振動問題帶來的研制風(fēng)險，提高導(dǎo)彈研制效率。

關(guān)鍵詞：防空導(dǎo)彈;虛擬振動;有限元仿真計算;

1 前沿

長期以來，防空導(dǎo)彈往往通過振動試驗、沖擊試驗、加速度試驗、顛震試驗、跌落試驗等地面力學(xué)環(huán)境試驗來模擬相應(yīng)的振動、沖擊、加速度、跌落、顛震等環(huán)境條件，對導(dǎo)彈的部、組件和分系統(tǒng)，直到全系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗，以此來考核/評估導(dǎo)彈的使用性能和參數(shù)。然而，導(dǎo)彈振動試驗等地面力學(xué)環(huán)境試驗往往在導(dǎo)彈研制末期進(jìn)行，其準(zhǔn)備周期長，且都在導(dǎo)彈完成總裝測試之后才能開展，一旦發(fā)現(xiàn)問題往往嚴(yán)重影響項目研制進(jìn)度，甚至導(dǎo)致項目停滯或擱淺。同時，由于試驗條件的限制，地面力學(xué)環(huán)境試驗一般難以完全模擬導(dǎo)彈在飛行過程中的環(huán)境條件。因此，亟需在設(shè)計階段通過仿真分析手段來發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈振動問題并加以解決，通過更貼近實際使用環(huán)境的仿真分析對地面力學(xué)試驗進(jìn)行有效、合理的補充。

本文針對導(dǎo)彈在研制中對虛擬振動分析的迫切需求，開展基于虛擬樣機的全彈虛擬振動相關(guān)技術(shù)研究，分析導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝情況，建立導(dǎo)彈全彈結(jié)構(gòu)動力學(xué)虛擬仿真樣機，在仿真環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)彈各類力學(xué)使用環(huán)境（振動、沖擊等）條件下的響應(yīng)分析，為導(dǎo)彈的研制和設(shè)計提供參考。

2 虛擬振動分析在導(dǎo)彈研制中的作用及意義

防空導(dǎo)彈的研制流程如圖1所示，開展虛擬振動分析，借助仿真手段，有助于工程設(shè)計人員在導(dǎo)彈設(shè)計階段就發(fā)現(xiàn)并解決導(dǎo)彈自身結(jié)構(gòu)中潛藏的隱患，避免在試驗階段出現(xiàn)問題從而影響整個研制過程的進(jìn)度。

圖1 ?導(dǎo)彈研制流程圖

2.1 減少設(shè)計迭代，降低研制風(fēng)險

防空導(dǎo)彈的研制通常經(jīng)歷“武器系統(tǒng)設(shè)計—零部件生產(chǎn)—總裝總調(diào)—地面測試及試驗—飛行試驗”等過程。導(dǎo)彈的地面力學(xué)環(huán)境試驗往往在導(dǎo)彈總裝完成后才能開展，試驗中發(fā)現(xiàn)、暴露的問題必須通過開展相關(guān)設(shè)計改進(jìn)、返修等工作加以解決，費時費力。如果在導(dǎo)彈設(shè)計階段就能夠并行進(jìn)行導(dǎo)彈振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗仿真并發(fā)現(xiàn)相關(guān)的問題，則能夠及時進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，從而避免大的反復(fù)，降低研制風(fēng)險，提高研制進(jìn)度。

2.2 預(yù)試驗仿真，指導(dǎo)保障地面力學(xué)環(huán)境試驗

在開展振動試驗等力學(xué)環(huán)境試驗之前，利用仿真技術(shù)完成相關(guān)的預(yù)試驗分析具有應(yīng)用價值，不僅能幫助試驗設(shè)計人員預(yù)先了解受試產(chǎn)品在試驗中的響應(yīng)特性，而且也能使試驗設(shè)計人員對所選用的試驗設(shè)備、儀器和試驗工裝是否能夠承擔(dān)完成這種試驗條件下的振動試驗，以及對振動控制點的選擇、試驗參數(shù)設(shè)置的合理性做到心中有數(shù)。

2.3 突破試驗條件限制，更完整的模擬使用環(huán)境

受目前試驗條件及方法的限制，導(dǎo)彈的地面力學(xué)環(huán)境試驗往往不能完全模擬導(dǎo)彈的真實使用環(huán)境。比如：當(dāng)前振動試驗只能提出全彈的功率譜密度，而各個艙段的功率譜則只能通過飛行試驗收集相關(guān)數(shù)據(jù)后經(jīng)歸納整理得出;振動試驗難以在三個方向（X、Y、Z）同時進(jìn)行，導(dǎo)彈各位置點尤其是導(dǎo)彈內(nèi)部的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)難以完整獲取;同時，實際的振動試驗結(jié)果中往往存在某些艙段（特別是頭部）振動量級過大，振動環(huán)境設(shè)置不合理等問題。而虛擬振動仿真不受試驗條件及方法的限制，在仿真環(huán)境中能夠有效避免上述問題，為各分系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考依據(jù)，是振動試驗等力學(xué)環(huán)境試驗的有效、合理補充。

3 基于虛擬樣機的導(dǎo)彈虛擬振動技術(shù)研究

虛擬振動在防空導(dǎo)彈研制中的實現(xiàn)可以概括為：

導(dǎo)彈虛擬振動結(jié)構(gòu)建模及修正：完成對導(dǎo)彈全彈、彈上相關(guān)設(shè)備以及振動激勵設(shè)備等的精細(xì)化有限元建模;以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行虛擬樣機模型修正，提升虛擬樣機置信度;

導(dǎo)彈虛擬振動仿真：通過有限元仿真軟件，模擬導(dǎo)彈在使用環(huán)境條件（振動、沖擊、加速度等）下的各種響應(yīng);根據(jù)虛擬振動數(shù)據(jù)對導(dǎo)彈進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。

3.1 高置信度虛擬樣機的構(gòu)建及修正

在研究中，全彈結(jié)構(gòu)虛擬樣機的構(gòu)建十分重要。虛擬樣機構(gòu)建的精細(xì)與否，直接關(guān)系到仿真分析結(jié)果的精確性以及可信度。由于分析過程中存在眾多的不確定因素以及建模中引入了多種假設(shè)，比如邊界條件的誤差，物理參數(shù)的誤差，結(jié)構(gòu)連接條件的失真，局部或整體的非線性等，使得有限元分析模型預(yù)示結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性之間必然存在誤差。為了盡量消除因建模參數(shù)不準(zhǔn)確造成的動力學(xué)特性預(yù)示的偏差，往往采用模態(tài)試驗實測數(shù)據(jù)對初始有限元模型及相關(guān)邊界條件進(jìn)行修正和完善，從而得到高置信度的全彈結(jié)構(gòu)虛擬樣機。高置信度虛擬結(jié)構(gòu)樣機構(gòu)建過程如圖2所示。

圖2 ?高置信度虛擬結(jié)構(gòu)樣機構(gòu)建過程示意

3.2 虛擬振動仿真及預(yù)試驗分析

在完成導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)虛擬樣機的模擬仿真之后，開展振動試驗等力學(xué)環(huán)境試驗之前，需通過預(yù)試驗分析，利用仿真技術(shù)預(yù)先了解導(dǎo)彈在試驗中的響應(yīng)特性。例如根據(jù)仿真結(jié)果，獲取導(dǎo)彈前幾階彎曲頻率、振型節(jié)點等模態(tài)參數(shù)，為正式試驗確定合適的頻率范圍和試驗參考點;根據(jù)導(dǎo)彈在輸入激勵作用下的輸出響應(yīng)幅值，選定所需傳感器類型和個數(shù)。

預(yù)試驗分析的正確性，直接關(guān)系到試驗設(shè)計人員對導(dǎo)彈在試驗中相關(guān)問題的判斷和解決。

4 結(jié)論

本文通過分析振動試驗、沖擊試驗等地面力學(xué)環(huán)境試驗在當(dāng)前防空導(dǎo)彈研制過程中的局限性和不足，表明了虛擬振動仿真在防空導(dǎo)彈研制過程中的需求和迫切性，并闡述虛擬振動在導(dǎo)彈研制過程中的具體實現(xiàn)過程和相關(guān)方法，能夠避免導(dǎo)彈因振動問題帶來的研制風(fēng)險，提高導(dǎo)彈的研制效率。

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