某機(jī)載光電設(shè)備窗口玻璃鳥(niǎo)撞仿真分析

溫慶榮,蔡 榮,魏夢(mèng)琦,劉宏旭,胡建飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

某機(jī)載光電設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)包括了紅外和激光兩個(gè)波段,可實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)的觀察、跟蹤、瞄準(zhǔn)和測(cè)距。為了適應(yīng)機(jī)載的工作環(huán)境,同時(shí)滿足激光和紅外兩個(gè)波段的光學(xué)高透過(guò)率需求,該設(shè)備采用ZnS作為窗口玻璃實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部精密光機(jī)的保護(hù)。根據(jù)動(dòng)量定理,一只0.45 kg的鳥(niǎo)與時(shí)速960 km的飛機(jī)相撞,會(huì)產(chǎn)生216 kN的力,高速運(yùn)動(dòng)使得鳥(niǎo)撞的破壞力達(dá)到驚人的程度,并且根統(tǒng)計(jì)80 %鳥(niǎo)撞事故是發(fā)生在飛機(jī)起飛、爬升和進(jìn)近、著陸階段,因此有必要針對(duì)載機(jī)在起降的低空高速工作狀況下,對(duì)窗口玻璃進(jìn)行力學(xué)仿真分析,明確窗口玻璃的鳥(niǎo)撞耐受性能[1-2],確保設(shè)備的安全性能。

鳥(niǎo)撞是發(fā)生在毫秒量級(jí)的非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,且高速動(dòng)態(tài)下的碰撞無(wú)法用準(zhǔn)靜態(tài)彈塑性力學(xué)進(jìn)行分析,其復(fù)雜性和特殊性主要表現(xiàn)有兩點(diǎn):(1)ZnS屬于特殊的脆性材料,在高應(yīng)變速率下會(huì)明顯改變結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系,它不僅提高了材料的瞬時(shí)極限強(qiáng)度,而且也提高了材料的屈服應(yīng)力,擴(kuò)大了彈性范圍,并使材料脆化；(2)鳥(niǎo)撞產(chǎn)生的慣性效應(yīng)導(dǎo)致撞擊載荷所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以應(yīng)力波形式傳播,撞擊所產(chǎn)生壓應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中傳播以及到達(dá)結(jié)構(gòu)自由界面后的反射波可能導(dǎo)致與靜力學(xué)完全不同的結(jié)構(gòu)破壞形式。

為此,本文首先通過(guò)試驗(yàn)分析了ZnS玻璃在準(zhǔn)靜態(tài)和高速動(dòng)態(tài)下的力學(xué)性能參數(shù),在此基礎(chǔ)上建立了鳥(niǎo)體模型,網(wǎng)格劃分后通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)光機(jī)模型進(jìn)行了分析,從鳥(niǎo)體質(zhì)量和速度兩個(gè)維度全面評(píng)價(jià)玻璃的損傷情況,得出其鳥(niǎo)撞耐受性。

2 ZnS玻璃的力學(xué)試驗(yàn)。

為了更接近真實(shí)工況,本文選取該機(jī)載光電設(shè)備上實(shí)際裝配的ZnS玻璃樣件為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)和中高應(yīng)變率下的壓縮試驗(yàn),測(cè)出其極限應(yīng)變和極限應(yīng)力[3-4]。結(jié)果如表1所示。

表1 樣件的力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 The mechanics parameter of glasssample from calculating

3 仿真參數(shù)的分析及選取

隨著飛機(jī)飛行高度和速度的不同,鳥(niǎo)體和飛機(jī)之間發(fā)生撞擊的過(guò)程持續(xù)時(shí)間大約在毫秒級(jí),撞擊過(guò)程非常復(fù)雜,平均鳥(niǎo)撞力的經(jīng)驗(yàn)公式如式(1)所示:

(1)

式中,Fav為平均鳥(niǎo)撞力；m為鳥(niǎo)質(zhì)量；V為鳥(niǎo)體與飛機(jī)的相對(duì)速度；θ為速度與撞擊面法線的夾角。

由于窗口玻璃和骨架的力學(xué)參數(shù)及三維模型已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)和三維軟件獲得,因此本文根據(jù)載機(jī)的實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需求,針對(duì)鳥(niǎo)體模型、撞擊速度和撞擊角度分別進(jìn)行分析,進(jìn)而確定仿真分析中的參數(shù)。

3.1 鳥(niǎo)體模型的選取及分析

我國(guó)是鳥(niǎo)類資源豐富的國(guó)家,有已知鳥(niǎo)類1329種,其中候鳥(niǎo)565種。在航空器鳥(niǎo)擊報(bào)告中,雀形目鳥(niǎo)是次數(shù)最多的,占35 %；其次是鷗類,占24 %；猛禽類占12 %；鴿子和家鴿占11 %；水鳥(niǎo)占8 %。因此,結(jié)合機(jī)載設(shè)備使用環(huán)境的需求,綜合考慮國(guó)內(nèi)外相關(guān)鳥(niǎo)撞標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,本文選取了四種鳥(niǎo)類的重量,分別是1500 g、500 g、70 g和45 g,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真模型的建立。

3.2 碰撞速度的選取及分析

通過(guò)查找文獻(xiàn)資料可知,國(guó)外現(xiàn)有一些戰(zhàn)機(jī)的起降速度各不相同,如美國(guó)海軍規(guī)定艦載機(jī)的起降速度分別為278 km/h和260 km/h,陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)輕載下起降速度為213 km/h,通用動(dòng)力的F-16戰(zhàn)斗機(jī)起降速度是407 km/h。

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)飛機(jī)風(fēng)擋、雷達(dá)罩等結(jié)構(gòu)件的鳥(niǎo)撞試驗(yàn)和仿真研究中,選用的鳥(niǎo)撞工況,鳥(niǎo)撞速度多采用500 km/h。

由于不同的鳥(niǎo)體重量在相同的速度下對(duì)玻璃的撞擊程度是不一樣的,因此結(jié)合上述分析,綜合考慮現(xiàn)有載機(jī)的工作環(huán)境和任務(wù),本文針對(duì)不同的鳥(niǎo)體重量采取的分析速度也不盡相同。其中,45 g和70 g兩種鳥(niǎo)體的撞擊更多關(guān)注玻璃的應(yīng)力變化,以此評(píng)價(jià)玻璃光學(xué)性能的損傷；而500 g和1500 g的鳥(niǎo)體撞擊則關(guān)注于玻璃是否發(fā)生破壞,以此評(píng)價(jià)對(duì)飛機(jī)整體安全性能的影響。本文對(duì)45 g和70 g的鳥(niǎo)體選取213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度分析,而對(duì)500 g和1500 g的鳥(niǎo)體則更關(guān)注玻璃臨界破壞的速度。

3.3 撞擊角度的選取

本文涉及的載機(jī)起飛時(shí)仰角一般在0～45°之間,而載機(jī)上的光電設(shè)備為了隱身需要采取了多棱面的玻璃拼接外形,沿著航線方向的玻璃夾角很小,因此綜合考慮,鳥(niǎo)體與玻璃的撞擊角度按照載機(jī)水平方向考慮。

4 鳥(niǎo)體模型的建立

鳥(niǎo)體建模包括SPH法、ALE法和拉格朗日法等。拉格朗日法計(jì)算當(dāng)中需要?jiǎng)h除單元,否則單元畸變嚴(yán)重,導(dǎo)致計(jì)算被迫中止,計(jì)算難以保證精度。在高速碰撞情況下,SPH單元計(jì)算方法快速而且準(zhǔn)確,目前常被用于鳥(niǎo)撞的模擬[5-6]。

本模型鳥(niǎo)體為SPH單元,由點(diǎn)粒子構(gòu)成。SPH單元的粒子數(shù)量要根據(jù)粒子間距來(lái)決定,粒子的間距要與被撞的玻璃網(wǎng)格尺寸匹配,二者的尺寸大小應(yīng)大約相等[7-8]。

4.1 鳥(niǎo)體模型的狀態(tài)方程

當(dāng)前仿真中應(yīng)用于鳥(niǎo)體模型的狀態(tài)方程有Gruneisen狀態(tài)方程和Mornaghan狀態(tài)方程,Mornaghan狀態(tài)方程參數(shù)少而Gruneisen狀態(tài)方程需要的參數(shù)較多。兩種狀態(tài)方程的詳細(xì)介紹如下:

(1)Gruneisen狀態(tài)方程

Gruneisen狀態(tài)方程描述鳥(niǎo)體的壓力和變形的關(guān)系,如式(2)所式:

(2)

式中:C表示聲音在鳥(niǎo)體中的傳播速度;p表示鳥(niǎo)體內(nèi)壓,計(jì)算參數(shù);E初始單位體積的內(nèi)能,軟件自動(dòng)計(jì)算;γ為Gruneisen參數(shù),0.5a為γ的一階修正系數(shù),默認(rèn)值;S表示波速-固體速度曲線各階斜率,默認(rèn)值。各參數(shù)取值如表2所示。

表2 模型參數(shù)Tab.2 Model parameter

(2)Mornaghan狀態(tài)方程

Mornaghan狀態(tài)方程描述鳥(niǎo)體的壓力和變形的關(guān)系,如式(3)所式:

(3)

k0和γ是材料常數(shù),采用的模型參數(shù):

k0=128×106,γ=7.98

對(duì)兩個(gè)模型均進(jìn)行了仿真,計(jì)算結(jié)果非常接近,幾乎沒(méi)有什么差異,本文最終采取了能夠準(zhǔn)確獲得其參數(shù)的Gruneisen狀態(tài)方程。

4.2 鳥(niǎo)體模型材料和屬性

(1)鳥(niǎo)體材料

鳥(niǎo)體材料選擇MATL_NULL,鳥(niǎo)體的密度為950 kg/mm3。

(2)鳥(niǎo)體屬性

鳥(niǎo)體屬性選擇SECTION_SPH。

屬性參數(shù)根據(jù)dyna手冊(cè)選擇:

CSLH(Constant Smoothing Length of Particles)=1.2

HMIN=0.2

HMAX=2

4.3 鳥(niǎo)體形狀及尺寸

(1)鳥(niǎo)體形狀

仿真中用到的鳥(niǎo)體形狀有圓柱體形、子彈形狀、膠囊形狀、圓球形狀等,然而仿真中鳥(niǎo)體的具體形狀沒(méi)有準(zhǔn)確的規(guī)定,一般根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證的鳥(niǎo)體形狀來(lái)確定仿真中鳥(niǎo)體的形狀。這里采用了仿真中使用最多、形狀跟真實(shí)試驗(yàn)中鳥(niǎo)體較為接近的膠囊形狀(兩頭為圓球形的柱體形狀)。

(2)鳥(niǎo)體尺寸

鳥(niǎo)體的尺寸需要根據(jù)其質(zhì)量和密度計(jì)算得出,密度已選為950 kg/mm3,則影響鳥(niǎo)體尺寸的因素為質(zhì)量。由于3.1中已經(jīng)針對(duì)仿真中涉及的鳥(niǎo)體模型進(jìn)行了規(guī)定,即1500 g、500 g、70 g和45 g共4種,根據(jù)GJB2464-95(飛機(jī)玻璃抗鳥(niǎo)撞試驗(yàn)方法)中的要求,通過(guò)質(zhì)量可以按照公式(4)和(5)進(jìn)行尺寸的計(jì)算。

L=17.44m

(4)

D=0.5×17.44m

(5)

式中:L為鳥(niǎo)彈長(zhǎng)度,cm；D為鳥(niǎo)彈直徑,cm；m為鳥(niǎo)彈質(zhì)量,kg。其中,鳥(niǎo)體柱體模型的長(zhǎng)徑比為2∶1。經(jīng)查閱文獻(xiàn)根據(jù)大多數(shù)鳥(niǎo)撞的研究情況采用膠囊型鳥(niǎo)體。如圖1是建立的幾個(gè)不同質(zhì)量的鳥(niǎo)體模型。

圖1 幾種不同質(zhì)量的鳥(niǎo)體模型Fig.1 Several bird model with different weight

5 光學(xué)窗口的鳥(niǎo)撞沖擊仿真分析

鳥(niǎo)撞沖擊的仿真過(guò)程采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理,即光學(xué)窗口與其骨架固定不動(dòng),給鳥(niǎo)體賦予一定的速度去撞擊光窗。鳥(niǎo)體的撞擊方向與骨架安裝面平行,即水平撞擊。玻璃與鳥(niǎo)體的接觸采用

ERODING_NODES_TO_SURFACE接觸,由于玻璃表面光滑,其摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。針對(duì)不同重量的鳥(niǎo)體,本文進(jìn)行了不同速度的仿真分析,以達(dá)到不同的評(píng)價(jià)效果。

5.1 45 g鳥(niǎo)體撞擊仿真分析

針對(duì)45 g鳥(niǎo)體的仿真,本文選取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度,結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 213 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.2 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 213 km/h

圖3 260 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.3 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 260 km/h

圖4 407 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.4 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 407 km/h

圖5 500 km/h時(shí)應(yīng)力云圖(玻璃穿透)Fig.5 The stress nephogram with 45g birdstrike at 500 km/h(the glass is broken)

5.2 70g鳥(niǎo)體撞擊仿真分析

針對(duì)70 g鳥(niǎo)體的仿真,本文選取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度,結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 213 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.6 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 213 km/h

圖7 260 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.7 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 260 km/h

圖8 407km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.8 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 407km/h

圖9 500km/h時(shí)的應(yīng)力云圖(玻璃穿透)Fig.9 The stress nephogram with 70g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.3 500 g鳥(niǎo)體撞擊仿真分析

針對(duì)500 g鳥(niǎo)體的仿真,本文著重分析其臨界破壞速度,結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 150 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig 10 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 150 km/h

圖11 160 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.11 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 160km/h

圖12 180 km/h時(shí)的應(yīng)力云圖(玻璃穿透)Fig.12 The stress nephogram with 500 g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.4 1500g鳥(niǎo)體撞擊仿真分析

針對(duì)1500g鳥(niǎo)體的仿真,本文著重分析其臨界破壞速度,結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 70 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig 13 The stress and distortion nephogramwith 1500g bird strike at 70 km/h

圖14 100 km/h時(shí)的應(yīng)力和變形云圖Fig.14 The stress and distortion nephogramwith 1500 g bird strike at 100 km/h

圖15 120 km/h時(shí)的應(yīng)力云圖(玻璃穿透)Fig 15 The stress nephogram with 1500 gbird strike at 120 km/h(glass is broken)

5.5 分析結(jié)果

從上述分析結(jié)果可知,對(duì)于45 g和70 g的鳥(niǎo)體而言,速度小于500 km/h時(shí)的幾個(gè)典型載機(jī)工況下,玻璃并未發(fā)生穿透,其應(yīng)力應(yīng)變也在玻璃的安全允許范圍內(nèi),玻璃的臨界破壞速度在500 km/h左右；對(duì)于500 g的鳥(niǎo)體,通過(guò)逼近法可知,速度小于180 km/h時(shí),玻璃不會(huì)發(fā)生穿透,其應(yīng)力應(yīng)變也在玻璃的安全允許范圍內(nèi),玻璃的臨界破壞速度在180 km/h左右；對(duì)于1500 g的鳥(niǎo)體,通過(guò)逼近法可知,速度小于120 km/h時(shí),玻璃不會(huì)發(fā)生穿透,其應(yīng)力應(yīng)變也在玻璃的安全允許范圍內(nèi),玻璃的臨界破壞速度在120 km/h左右。

6 結(jié) 論

本文以某機(jī)載光電設(shè)備的窗口玻璃在不同速度下的鳥(niǎo)撞耐受性為研究?jī)?nèi)容,通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立物理模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分后展開(kāi)鳥(niǎo)撞的仿真分析,從中得出玻璃在幾個(gè)典型鳥(niǎo)體撞擊下的破壞速度。本文的研究成果可以指導(dǎo)窗口玻璃的光機(jī)設(shè)計(jì),并為該載機(jī)在其典型工況下提供定量的鳥(niǎo)撞耐受性。在此基礎(chǔ)上,可以開(kāi)展針對(duì)原理實(shí)物樣機(jī)的鳥(niǎo)體撞擊試驗(yàn),通過(guò)其數(shù)據(jù)對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行修正,提高仿真分析的擬合度,最終達(dá)到提升此類機(jī)載設(shè)備的工程化設(shè)計(jì)能力。