空投装备着陆冲击环境适应性研究

李建阳,王红岩,芮强,洪煌杰,张芳

(1.装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;2.北方特种车辆研究所,北京100072)

空投装备着陆冲击环境适应性研究

李建阳1,王红岩1,芮强1,洪煌杰1,张芳2

(1.装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;2.北方特种车辆研究所,北京100072)

目的研究空投着陆冲击环境适应性。方法采用有限元、响应面和蒙特卡罗方法,预测空投着陆成功概率;研究不同垂直着陆速度、地面坡度和地面风速对空投着陆成功概率的影响;分析空投装备着陆冲击环境适应性数据,提出提高空投装备着陆冲击环境适应性的措施。结果垂直速度和地面风速对综合成功概率影响显著,地面坡度的变化对综合成功概率的影响不显著。结论通过该方法,能够成功预测空投着陆成功概率,为空投实践提供理论依据和技术指导。

空投装备;环境适应性;响应面;蒙特卡罗方法

环境适应性的定义是“装备在其寿命期预计可 能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力,是装备的重要质量特性之一[1—2]。”针对空投装备的特殊性,空投装备着陆冲击环境适应性是指装备在空投着陆时预计可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力。着陆环境是指装备在空投时所遇到的各种环境影响因素,其包括:自然环境,如大气密度、地形、风、温度、气压等;诱发环境,如振动、冲击、摇摆、电磁辐射等。空投装备着陆时,冲击载荷主要取决于着陆地面坡度、垂直着陆速度、横向速度和着陆的姿态角。受风速、空气密度、地面坡度等条件的影响,上述着陆工况参数也会随之变化,空投装备可能出现冲击加速度过大、侧翻等现象。为科学进行空投实践,迫切需要进行空投装备着陆冲击环境适应性研究。

近年来,人们逐渐认识到装备环境适应性与可靠性一样也是装备的重要质量特性之一[3]。装备环境适应性已经成为制约装备性能发挥、影响甚至决定战争胜负的关键因素。装备环境适应性可采用环境适应性试验进行研究,一般分为实验室试验和自然环境条件下试验[4]。实验室试验常用于研制过程中的例行试验,自然环境条件适用于产品的定型鉴定试验。军方部门对军用气象装备、地雷爆破器材、舰船电子设备等武器装备制订了详细的环境试验标准。由于空投装备的特殊性,装备着陆冲击环境适应性需要进行大量实际装备(或模型装备)的空投试验,人力物力财力需求巨大,难以通过传统的环境试验研究空投装备的着陆冲击环境适应性。

随着计算机技术和有限元理论的发展,使得计算机模拟空投装备着陆缓冲过程成为可能。Joseph,Huxley-Reynard,Bown分别对乘员探测飞行器、猎兔犬2号和水星着陆器的着陆缓冲过程进行了有限元模拟,分析缓冲气囊系统的着陆特性[5—7]。国内王亚伟、杨春信等人基于热力学方法建立了货台空投系统气囊缓冲过程仿真模型[8]。邓春燕采用控制体积法,模拟了带全向式缓冲气囊的“火星探路者”的着陆过程,研究了气囊内部压力和温度等指标的变化过程[9]。

文中基于郝贵祥、王红岩对空投装备着陆缓冲过程的模拟[10—12],结合有限元、响应面和蒙特卡罗方法,建立着陆工况参数与着陆冲击响应的响应面模型,采用蒙特卡罗方法进行随机着陆工况模拟,统计计算空投装备着陆冲击响应。通过分析空投着陆环境的特点,探讨不同垂直着陆速度、地面坡度和风速条件对空投着陆成功概率的影响,提出提高空投装备着陆冲击环境适应性的措施。

1 响应面方法

在复杂工程问题中,响应函数与设计变量之间的函数关系往往是未知的,即使二者的关系是已知的,也常常由于该问题过于复杂而造成计算成本过高,此时可以采用响应面方法对这类问题进行相对较少次数的分析,得到对部分或者全部设计空间的近似,最终把代表复杂工程问题的隐式函数转化成为显式的近似函数[13]。

响应面模型的质量依赖于以下2个因素:

1)变量空间中采样点的选择,即试验设计;

2)构建响应面时对采样点进行响应面拟合的算法。

1.1 试验设计

建立响应面模型的第一步是选择设计变量空间中的样本点,为了达到进行较少的试验获得足够信息的目的,就必须采用试验设计方法来选取样本点。在整个设计空间选取有限数量的样本点,使这些样本点能够尽可能地反映设计空间的特性,即称为试验设计。

常用的试验设计方法有析因试验设计、正交试验设计、拉丁超立方试验设计等。拉丁超立方试验设计是专门为仿真试验提出的一种试验设计类型,是一种充满空间设计,使输入组合相对均匀地填满整个变量空间,并且每个试验变量水平只使用一次[14]。

假设水平数n=4,因子个数s=2,拉丁超立方试验设计的具体步骤如下。

1)将设计空间(假设为单位正方形)每边均分(n-1)份,每边得到n个点,故整个区域共有个n2点。

2)随机地置换(1,2,…,n)中的2个数,例如(1,2,3,4)和(3,2,4,1),将它们排列成一个矩阵,得:

矩阵的每一列(1,3),(2,2),(3,4),(4,1)决定了4个设计点。如图1所示。

图1 拉丁超立方试验设计Fig.1 Latin hypercube design

上例可知,由于每个因子在每个水平上都能得到均匀的应用,因此拉丁超立方试验设计能够以较少的样本点反映整个设计变量空间的特性,是一种有效的样本缩减技术。

1.2 移动最小二乘法

1994年Belyt Shko等首次提出了基于移动最小二乘法(Moving Least Square,MLS)的无网格迦辽金法[15]。随着学科之间的交叉和渗透越来越频繁,人们逐渐认识到了移动最小二乘法在数据拟合方面的优点,并迅速将其应用在计算机图形学中的曲线和曲面拟合。近年来,随着响应面方法在工程领域逐渐发展和完善,移动最小二乘法被广泛用于响应面模型的构建当中,并很快形成一种新的响应面模型构建方法。

传统的多项式响应面模型一般采用最小二乘法使近似值和试验值之间的相对误差最小,以此来确定响应面近似函数中的系数。由于最小二乘方法是对整个采样空间的拟合和近似,是一种基于全局的逼近方法,当响应函数在整个设计空间中具有高度的非线性或者响应函数出现振荡时,多项式响应面模型就难以达到理想的预测精度。

与传统响应面方法不同,移动最小二乘法中的各项系数不再是一些常数,而是根据不同的预测点不停变化的,是隐式的,以至于它无法写出具体的函数表达式。移动最小二乘法已不是全局逼近的方法,而是在局部域内进行逼近。移动最小二乘法对高度非线性模型的拟合精度较好,同时由于该方法也是采用回归近似技术,所以它对工程问题中的数值噪声有较好的抗干扰作用。

以某函数F(x,y)为例,对比最小二乘法与移动最小二乘法的拟合结果。

选择采样空间为区域W{-1≤x≤1,-1≤y≤1},在W上均匀选取36个采样点,真实函数曲面如图2所示,采样点空间分布如图3所示。

图2 真实函数曲面Fig.2 Real function surface

图3 采样点分布Fig.3 Sampling sites distribution

分别采用最小二乘法和移动最小二乘法拟合曲面,得出如图4、图5所示的曲面。

图4 最小二乘法拟合曲面Fig.4 Response surface approximated by least square method

图5 移动最小二乘法拟合曲面Fig.5 Response surface approximated by moving least square method

从拟合曲面与真实函数曲面对比可知,移动最小二乘法拟合响应曲面比传统的最小二乘拟合响应曲面精度高,能够较好地再现原函数曲面的局部特征。

2 着陆工况响应面的构建

2.1 试验设计

着陆工况参数包括横向速度、垂向速度、俯仰角、侧倾角和地面坡度等。目标函数定义为空投装备质心冲击加速度峰值。各个参数的变量空间见表1,采用拉丁超立方试验设计方法得出试验设计方案见表2。

表1 着陆工况参数的变量空间Table 1 Design space of landing condition parameters

表2 拉丁超立方试验设计方案Table 2 Scheme of Latin Hypercube design

2.2 响应面拟合

根据表2给出的30组设计点,采用有限元方法进行求解,获得的加速度峰值数据在表2中给出。采用移动最小二乘法进行拟合,获得如图6所示的响应面模型。

图6 响应面模型Fig.6 Response surface

2.3 响应面拟合精度检验

响应面生成后,还需要对响应面进行拟合精度检验。响应面的评价指标可以很好地说明响应面函数对数据的拟合程度,常见的评价指标主要有复相关系数和修正的复相关系数根据上述2个指标对已经建立的响应面模型进行拟合程度的评价,评价结果见表3。由于复相关系数R和修正的复相关系数都接近于1,说明采用移动最小二乘法拟合得到的响应面误差较小,拟合精度较高。

表3 响应面拟合程度评价Table 3 Evaluation of the goodness of fit

3 着陆冲击响应统计计算

利用蒙特卡罗方法进行空投装备随机着陆条件下的冲击响应统计计算。采用直接模拟方法,基于构建的着陆工况参数与着陆冲击响应的响应面模型,根据着陆工况参数的概率分布,采用电子计算机进行蒙特卡罗抽样试验,获得随机着陆条件下的冲击响应统计结果。着陆工况参数的概率分布形式见表4,5000次蒙特卡罗抽样点蚁山图(Ant-Hill)如图7所示。

根据5000次蒙特卡罗随机抽样试验点的工况条件,基于响应面模型计算得到着陆冲击响应的统计分布如图8所示。

表4 着陆工况参数的分布形式Table 4 Distributions of landing condition parameters landing

图7 蒙特卡罗抽样点图Fig.7 Ant-Hill of Monte Carlo sampling points

4 着陆冲击环境适应性研究

一般武器装备都要通过各种环境试验来考核被试品的环境适应能力,一般的环境试验项目有:低温试验、高温试验、温度冲击试验、太阳辐射试验、低气压试验、振动试验、冲击试验、振动试验、浸水试验等。对于空投装备而言,由于其用途特殊,空投作战、训练时的使用环境包括大气条件、地面条件、地面风速等。因此,空投装备除了要考虑一般的环境适应能力,同时要研究空投着陆冲击环境适应性。

图8 着陆冲击响应统计分布Fig.8 Distribution of landing responses

通过对不同空投着陆环境条件(即不同着陆工况参数分布形式)进行蒙特卡罗随机抽样,模拟得出冲击响应的变化,结合空投装备技术指标,分析空投装备缓冲气囊系统的环境适应性。

4.1 不同着陆环境对空投成功概率的影响

根据空投装备的技术指标,空投装备空投时应能承受以下最大过载:开伞冲击为10g;着陆冲击为20g(25 ms)。从空投装备着陆缓冲阶段的成功概率考虑,定义空投装备着陆冲击加速度的极限值为20g。考虑空投装备着陆缓冲过程中由于地面坡度、横向速度以及自身姿态的影响导致侧向翻转角过大,定义侧倾角的极限值为57°。根据气囊织物的抗拉强度换算气囊最大内压为0.19 MPa,以保证气囊不被撕裂。同时定义空投装备最大反弹速度为3 m/ s,以确保空投装备缓冲着陆结束时不出现过大的反弹。空投着陆成功评价指标见表5。

表5 空投着陆成功评价指标Table 5 Evaluation criteria of successful landing

由于降落伞的作用,空投装备着陆时的垂直速度为6.9～7.9 m/s,因此考虑垂直速度的2种水平,即均值为7 m/s和8 m/s的正态分布。

根据坡度等级的划分,平的到接近平的地面坡度为0°～2°,缓坡的坡度是2°～5°。空投场地都是经过仔细论证和筛选过的,因此只分析平坦和缓坡两种地面。地面坡度服从正态分布。

现有空投规范中,规定空投时着陆场中距地面100 m以下风速不大于8～10 m/s。因此考虑在三级风(均值4 m/s)和四级风(均值7 m/s)两种条件下的空投着陆成功概率。风速服从二参数威布尔分布。

8种空投着陆工况见表6,考虑不同垂直速度、地面坡度和地面风速下的着陆冲击响应,根据表5给出的空投着陆成功评价指标,评价不同着陆工况下的着陆成功概率。当响应值超过空投着陆成功评价指标即认为本次空投失败,并综合各个评价指标的成功概率得出综合成功概率。

表6 不同着陆环境条件下的着陆成功概率Table 6 Successful landing probability under different landing condition %

需要指出,表6中综合成功概率要大于4个评价指标下的成功概率的乘积。这是因为在一次空投模拟下存在2个或2个以上的评价指标失效,因此总的着陆失败次数要小于4个评价指标下的失败次数总和。

着陆成功概率的方差分析结果见表7。从方差分析结果可以看出,垂直速度、地面坡度和地面风速3个参数中,垂直速度和地面风速对综合成功概率影响显著,地面坡度的变化对综合成功概率的影响不显著。

表7 综合成功概率方差分析结果Table 7 The result of variance analysis

4.2 提高空投着陆冲击环境适应性的措施

根据上述研究结果,提出提高空投装备空投着陆冲击环境适应性的措施如下所述。

1)提高空投装备的性能指标。环境影响制约了空投装备性能的发挥,而空投装备性能的优劣关键取决于它的质量,没有质量,战斗力就无从谈起。可以说,环境越恶劣,对装备的性能、技术和质量的要求越高,因此,必须把提高空投装备质量作为根本要务。广泛应用新技术、新材料、新工艺,全面提高空投装备的结构强度、气囊缓冲性能,努力实现空投装备由适应一般空投环境向适应极端、复杂空投环境转变。

2)加强环境适应性理论研究和试验研究。要加强空投装备的环境适应性基础研究,将空投装备特有的空投着陆冲击环境适应性纳入空投装备的全寿命周期中,搞好环境适应性指标论证,在抗冲击能力等方面指标要留有一定的裕度,以满足不同地域的需要。要对空投装备的使用情况进行密切监控,时刻掌握空投装备空投环境条件及其性能变化,深入探索着陆环境与性能的关系,为空投装备的环境适应性改造提供数据。同时对于主要的环境条件特别是一些极端的环境条件要进行充分的试验验证。

3)制订针对性强的操作标准。在进行空投装备空投作战、训练时,要严格按照规范进行操作,同时根据恶劣环境下(伞系统部分失效、高海拔、强风、地面不平等)空投的特点,制定相应的针对性强的操作标准。例如,高海拔条件下需增加降落伞数量以减小垂直着陆速度,同时缩小气囊排气口面积以提高气囊缓冲效能。

4)建立与空投环境特点相适应的空投可行性预测评估体系。要建立与空投环境特点相适应的装备环境质量预测评估体系,制订科学完备的环境质量预测评估标准和方法。运用计算机信息系统及概率论、模糊数学等学科理论,综合分析空投着陆场各种气候环境参数,预测空投着陆的可行性,为战时装备保障提供技术指导。最大限度降低战时空投装备空投损耗率,使装备环境适应性建设步入科学化的轨道。

5 结语

文中提出了基于有限元、响应面和蒙特卡罗方法的着陆成功概率预测方法。首先建立了着陆工况参数与着陆冲击响应的响应面模型。其次采用了蒙特卡罗方法进行随机着陆环境模拟,得出了空投着陆冲击响应的统计数据。然后结合空投装备技术指标,预测着陆成功概率。最后研究了不同垂直着陆速度、地面坡度和地面风速条件对空投着陆成功概率的影响,提出了提高空投装备着陆冲击环境适应性的措施,可为空投实践提供技术指导。

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Landing Environmental Worthiness of Airborne Equipment

LI Jian-yang1,WANG Hong-yan1,RUI Qiang1,HONG Huang-jie1,ZHANG Fang2

(1.Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China; 2.Beifang Institute of Special Vehicle,Beijing 100072,China)

Objective To study the landing environmental worthiness of airborne equipment.Methods Based on finite element method,response surface and Monte Carlo method,the successful landing probability was predicted.The influence of different landing velocity,land surface slope and surface wind on the successful landing probability was studied.The landing environmental worthiness data of airborne equipment was analyzed,and the measures for improving landing environmental worthiness of airborne equipment were proposed.Results The results proved that vertical velocity and surface wind had significant influences on the probability of success,while the surface slope had insignificant influence.Conclusion The successful landing probability could be predicted based on the research on landing environmental worthiness.The results could provide theoretical reference and technical guidance for airdrop.

airborne equipment;environmental worthiness;response surface;Monte Carlo method

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.003

V353

:A

1672-9242(2014)05-0010-07

2014-05-12;

2014-05-21

Received:2014-05-12;Revised:2014-05-21

李建阳(1986—),男,福建漳浦人,博士研究生,主要研究方向为军用车辆系统论证、仿真与评估。

Biography:LI Jian-yang(1986—),Male,from Zhangpu,Fujian,Doctoral student,Research focus:demonstration,simulation and evaluation of military vehicle systems.