溫慶榮,蔡 榮,魏夢琦,劉宏旭,胡建飛

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

某機載光電設(shè)備的光學系統(tǒng)包括了紅外和激光兩個波段,可實現(xiàn)對作戰(zhàn)目標的觀察、跟蹤、瞄準和測距。為了適應(yīng)機載的工作環(huán)境,同時滿足激光和紅外兩個波段的光學高透過率需求,該設(shè)備采用ZnS作為窗口玻璃實現(xiàn)對內(nèi)部精密光機的保護。根據(jù)動量定理,一只0.45 kg的鳥與時速960 km的飛機相撞,會產(chǎn)生216 kN的力,高速運動使得鳥撞的破壞力達到驚人的程度,并且根統(tǒng)計80 %鳥撞事故是發(fā)生在飛機起飛、爬升和進近、著陸階段,因此有必要針對載機在起降的低空高速工作狀況下,對窗口玻璃進行力學仿真分析,明確窗口玻璃的鳥撞耐受性能[1-2],確保設(shè)備的安全性能。

鳥撞是發(fā)生在毫秒量級的非線性沖擊動力學問題,且高速動態(tài)下的碰撞無法用準靜態(tài)彈塑性力學進行分析,其復雜性和特殊性主要表現(xiàn)有兩點:(1)ZnS屬于特殊的脆性材料,在高應(yīng)變速率下會明顯改變結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系,它不僅提高了材料的瞬時極限強度,而且也提高了材料的屈服應(yīng)力,擴大了彈性范圍,并使材料脆化；(2)鳥撞產(chǎn)生的慣性效應(yīng)導致撞擊載荷所產(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)中傳播以及到達結(jié)構(gòu)自由界面后的反射波可能導致與靜力學完全不同的結(jié)構(gòu)破壞形式。

為此,本文首先通過試驗分析了ZnS玻璃在準靜態(tài)和高速動態(tài)下的力學性能參數(shù),在此基礎(chǔ)上建立了鳥體模型,網(wǎng)格劃分后通過動力學仿真軟件對光機模型進行了分析,從鳥體質(zhì)量和速度兩個維度全面評價玻璃的損傷情況,得出其鳥撞耐受性。

2 ZnS玻璃的力學試驗。

為了更接近真實工況,本文選取該機載光電設(shè)備上實際裝配的ZnS玻璃樣件為試驗對象,通過準靜態(tài)和中高應(yīng)變率下的壓縮試驗,測出其極限應(yīng)變和極限應(yīng)力[3-4]。結(jié)果如表1所示。

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

3 仿真參數(shù)的分析及選取

隨著飛機飛行高度和速度的不同,鳥體和飛機之間發(fā)生撞擊的過程持續(xù)時間大約在毫秒級,撞擊過程非常復雜,平均鳥撞力的經(jīng)驗公式如式(1)所示:

(1)

式中,Fav為平均鳥撞力；m為鳥質(zhì)量；V為鳥體與飛機的相對速度；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參數(shù)及三維模型已經(jīng)通過試驗和三維軟件獲得,因此本文根據(jù)載機的實際作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需求,針對鳥體模型、撞擊速度和撞擊角度分別進行分析,進而確定仿真分析中的參數(shù)。

3.1 鳥體模型的選取及分析

我國是鳥類資源豐富的國家,有已知鳥類1329種,其中候鳥565種。在航空器鳥擊報告中,雀形目鳥是次數(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 %；水鳥占8 %。因此,結(jié)合機載設(shè)備使用環(huán)境的需求,綜合考慮國內(nèi)外相關(guān)鳥撞標準和規(guī)范,本文選取了四種鳥類的重量,分別是1500 g、500 g、70 g和45 g,在此基礎(chǔ)上進行仿真模型的建立。

3.2 碰撞速度的選取及分析

通過查找文獻資料可知,國外現(xiàn)有一些戰(zhàn)機的起降速度各不相同,如美國海軍規(guī)定艦載機的起降速度分別為278 km/h和260 km/h,陣風戰(zhàn)斗機輕載下起降速度為213 km/h,通用動力的F-16戰(zhàn)斗機起降速度是407 km/h。

目前國內(nèi)有關(guān)飛機風擋、雷達罩等結(jié)構(gòu)件的鳥撞試驗和仿真研究中,選用的鳥撞工況,鳥撞速度多采用500 km/h。

由于不同的鳥體重量在相同的速度下對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)有載機的工作環(huán)境和任務(wù),本文針對不同的鳥體重量采取的分析速度也不盡相同。其中,45 g和70 g兩種鳥體的撞擊更多關(guān)注玻璃的應(yīng)力變化,以此評價玻璃光學性能的損傷；而500 g和1500 g的鳥體撞擊則關(guān)注于玻璃是否發(fā)生破壞,以此評價對飛機整體安全性能的影響。本文對45 g和70 g的鳥體選取213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度分析,而對500 g和1500 g的鳥體則更關(guān)注玻璃臨界破壞的速度。

3.3 撞擊角度的選取

本文涉及的載機起飛時仰角一般在0～45°之間,而載機上的光電設(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,鳥體與玻璃的撞擊角度按照載機水平方向考慮。

4 鳥體模型的建立

鳥體建模包括SPH法、ALE法和拉格朗日法等。拉格朗日法計算當中需要刪除單元,否則單元畸變嚴重,導致計算被迫中止,計算難以保證精度。在高速碰撞情況下,SPH單元計算方法快速而且準確,目前常被用于鳥撞的模擬[5-6]。

本模型鳥體為SPH單元,由點粒子構(gòu)成。SPH單元的粒子數(shù)量要根據(jù)粒子間距來決定,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 鳥體模型的狀態(tài)方程

當前仿真中應(yīng)用于鳥體模型的狀態(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)方程的詳細介紹如下:

(1)Gruneisen狀態(tài)方程

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

(2)

式中:C表示聲音在鳥體中的傳播速度;p表示鳥體內(nèi)壓,計算參數(shù);E初始單位體積的內(nèi)能,軟件自動計算;γ為Gruneisen參數(shù),0.5a為γ的一階修正系數(shù),默認值;S表示波速-固體速度曲線各階斜率,默認值。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

對兩個模型均進行了仿真,計算結(jié)果非常接近,幾乎沒有什么差異,本文最終采取了能夠準確獲得其參數(shù)的Gruneisen狀態(tài)方程。

4.2 鳥體模型材料和屬性

(1)鳥體材料

鳥體材料選擇MATL_NULL,鳥體的密度為950 kg/mm3。

(2)鳥體屬性

鳥體屬性選擇SECTION_SPH。

屬性參數(shù)根據(jù)dyna手冊選擇:

CSLH(Constant Smoothing Length of Particles)=1.2

HMIN=0.2

HMAX=2

4.3 鳥體形狀及尺寸

(1)鳥體形狀

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

(2)鳥體尺寸

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

L=17.44m

(4)

D=0.5×17.44m

(5)

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

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

5 光學窗口的鳥撞沖擊仿真分析

鳥撞沖擊的仿真過程采用相對運動的原理,即光學窗口與其骨架固定不動,給鳥體賦予一定的速度去撞擊光窗。鳥體的撞擊方向與骨架安裝面平行,即水平撞擊。玻璃與鳥體的接觸采用

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。針對不同重量的鳥體,本文進行了不同速度的仿真分析,以達到不同的評價效果。

5.1 45 g鳥體撞擊仿真分析

針對45 g鳥體的仿真,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鳥體撞擊仿真分析

針對70 g鳥體的仿真,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鳥體撞擊仿真分析

針對500 g鳥體的仿真,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鳥體撞擊仿真分析

針對1500g鳥體的仿真,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,對于45 g和70 g的鳥體而言,速度小于500 km/h時的幾個典型載機工況下,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；對于500 g的鳥體,通過逼近法可知,速度小于180 km/h時,玻璃不會發(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；對于1500 g的鳥體,通過逼近法可知,速度小于120 km/h時,玻璃不會發(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

本文以某機載光電設(shè)備的窗口玻璃在不同速度下的鳥撞耐受性為研究內(nèi)容,通過動力學仿真軟件建立物理模型,進行網(wǎng)格劃分后展開鳥撞的仿真分析,從中得出玻璃在幾個典型鳥體撞擊下的破壞速度。本文的研究成果可以指導窗口玻璃的光機設(shè)計,并為該載機在其典型工況下提供定量的鳥撞耐受性。在此基礎(chǔ)上,可以開展針對原理實物樣機的鳥體撞擊試驗,通過其數(shù)據(jù)對仿真過程進行修正,提高仿真分析的擬合度,最終達到提升此類機載設(shè)備的工程化設(shè)計能力。