导弹遇靶碰撞的过载仿真分析

杨娜+陈虎林��

摘要： 通过LS-DYNA显式动力学商业软件对导弹遇靶的几种典型状态进行模拟， 用简化模型分析了导弹和靶机碰撞时头部的过载情况。 结果表明：最大过载并非发生在碰撞初始时刻， 而是在碰撞进行到一定程度时； 随碰撞时弹轴与靶机轴夹角减小， 最大过载减小。

关键词： 导弹； 靶机； 过载； 碰撞； 显式动力学分析

中图分类号： TJ760.3文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0062-06[SQ0]

0引言

随着空空导弹导引精度的提高， 导弹与目标碰撞的概率增大， 触发引信在引战系统中的重要性也随之提高。 空空导弹触发引信的设计指标主要包括灵敏度、 作用时间， 这两个指标受引信安装部位、 弹道环境、 碰撞条件、 目标特性等因素的影响[1]。 从安全的角度要求， 引信軸向过载小于某一值g1时， 不得触发引信； 从工作角度要求， 纵向过载大于g2时， 引信必须触发。 因此， 了解导弹与目标碰撞时的过载情况十分重要。 本文采用将冲击动力学与有限元相结合的分析方法， 可以解决弹目碰撞冲击动力学计算问题。

在冲击动力学方面， 已经有鸟撞飞机风挡[2-4]、 汽车碰撞以及浪击舰船[5]、 军用飞机救生弹射座椅[6]、 舰载机着舰拦阻索[7-8]等方面的分析。 目前， 针对弹目碰撞冲击过程的数值模拟计算尚不多见。

本文以空空导弹撞击靶机为例， 利用LS-DYNA商业有限元分析软件， 采用显式动力学分析方法模拟了弹目碰撞过程， 考察了弹目碰撞时的过载， 为触发引信的设计描述了动力学环境。

1结构模型及材料参数

1.1结构模型

以空空导弹和某型靶机为背景，建立分析模型。

考虑导弹天线罩与靶机首先发生碰撞的情况， 在建立简化模型时， 保持真实模型的质量、 质心、 外部结构材料属性等数据参数， 对内部部分结构用附加质量代替， 关注弹目相遇时， 导弹天线罩结构上的过载。

导弹模型如图1所示。

本文分析导弹遇靶问题时， 以靶机中心轴为X坐标， 机头顶点为原点， 导弹接触靶机时， 假设弹轴与靶机中心轴共面， 并且导弹天线罩顶点与靶机接触， 仅对表2中的六种假设工况进行分析。

采用有限元显式动力学方法求解， 假设靶机以200 m/s的速度飞行， 导弹以700 m/s的速度接近， 根据表2所列的工况分别进行计算， 在导弹遇靶时， 采用面面侵蚀接触考虑靶机壳体与导弹壳体之间的作用。

导弹天线罩与导弹弹身采用固支连接模拟陶瓷天线罩与连接环之间的连接， 连接环与弹身之间以及各舱段之间的楔块连接也均用固支连接简化模拟。

根据表1中所列参数对各个部分模型进行材料定义， 在本文分析过程中， 只考虑很短的碰撞时间， 单元失效删除后不存在大变形问题， 故对各个部分均采用了相同的壳单元THIN SHELL 163，单元采用缩减积分， 运算速度较快。 在划分网格时， 靶机头部及导弹天线罩采用四节点壳单元， 自由划分网格， 导弹舵翼面采用三节点壳单元， 靶机及导弹其他部分均为四节点映射网格， 如图3～4所示， 天线罩进行网格划分时， 采用空间比例布种， 从天线罩顶点到底部由密到疏形成自由网格， 如图4所示。 靶机10 226个单元， 天线罩6 726个单

3计算结果

前处理完成后， 根据表2的内容分别进行计算， 导弹速度为700 m/s， 在分析中仅考虑靶机表面与导弹陶瓷天线罩碰撞。 在导弹遇靶时， 天线罩与靶机碰撞破碎后， 罩体内雷达阵面也随之与靶机碰撞。 雷达阵面碰到靶机的时间约为0.5 ms， 故仅对0.5 ms内， 弹靶相遇的各工况计算结果进行分析。

3.1工况1

工况1为导弹从靶机前端侧面垂直进行碰撞， 图5为弹目相遇的有限元模型。

碰撞0.195 ms后， 达到第一个过载峰值， 天线罩底部与弹身结合部位某一点的过载为3 654 m/s2， 在0.425 ms时达到最大过载， 为23 251 m/s2。

根据图显示， 最大过载并非发生在碰撞初始时刻， 而是发生在碰撞进行到一定程度时， 这符合碰撞的物理过程。 碰撞时， 结构未发生破坏之前的变形逐渐增大， 产生的恢复力亦逐渐增大， 由此产生的振荡加速度逐渐增大。

3.2工况2

工况2为导弹从靶机前端侧面60°夹角进行攻击， 图10为弹靶相遇的有限元网格模型。

罩底部与弹身结合部位某一点的过载为2 297 m/s2， 在0.477 ms时达到最大过载， 为9 685 m/s2。

4结论

通过数值模拟对导弹与靶机碰撞时几种不同的工况进行分析， 对天线罩部位遇靶时， 罩体与弹身结构接合面位置的过载进行计算分析， 结果表明：

（1） 最大过载并非发生在碰撞初始时刻， 而是发生在碰撞进行到一定程度时， 这符合碰撞的物理过程；

（2） 随碰撞时弹轴与靶机轴夹角减小， 最大过载减小；

（3） 引信设计应考虑在碰撞最小夹角情况下， 最大过载仍能满足触发条件。

参考文献：

[1] 袁正， 孙志杰.空空导弹引战系统设计[M]. 北京： 国防工业出版社， 2007： 151.

Yuan Zheng， Sun Zhijie. FuzeWarhead System Design of AirtoAir Missile[M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2007： 151. （in Chinese）

[2] 张乐迪， 张显余.飞机前风挡撞鸟动态响应分析[J].机械制造， 2013， 51（6）： 4-6.

Zhang Ledi， Zhang Xianyu.Dynamic Response Analysis on Bird Strike at Aircraft front Windshield[J]. Machinery， 2013， 51（6）： 4-6. （in Chinese）

[3] 王新军， 岳珠峰， 王富生， 等.飞机风挡结构抗鸟撞动响应数值模拟[J].强度与环境， 2007， 34（1）： 28-32.

Wang Xinjun， Yue Zhufeng， Wang Fusheng， et al. Numerical Simulation of Bird ImpactDynamic Response for Windshield[J]. Structure & Environment Engineering， 2007， 34 （1）： 28-32. （in Chinese）

[4] 張志林， 姚卫星.飞机风挡鸟撞动态响应分析方法研究[J].航空学报， 2004， 25（6）： 577-580.

Zhang Zhilin， Yao Weixing. Research on Dynamic Analysis of Bird Impact on Aircraft Windshield[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2004， 25 （6）： 577-580. （in Chinese）

[5] 刘东岳， 汪玉.ANSYS环境中的舰船机舱区结构冲击动力学仿真[J].计算机仿真， 2001， 18（4）： 74-76.

Liu Dongyue， Wang Yu. The Structure Shock Dynamic Simulation of Engine Room for Warship Based on ANSYS[J]. Computer Simulation， 2001， 18 （4）： 74-76. （in Chinese）

[6] 贺朝霞， 吴立言， 李艳敏， 等.弹射座椅的冲击动力学分析研究[J].中国机械工程， 2005， 16（3）： 201-204.

He Zhaoxia， Wu Liyan， Li Yanmin， et al. Analysis and Research about Impact Dynamics of Ejection Seat[J]. China Mechanical Engineering， 2005， 16 （3）： 201-204. （in Chinese）

[7] 沈文厚， 赵治华， 任革学， 等.拦阻索冲击的多体动力学仿真研究[J].振动与冲击， 2015， 34（5）： 73-77.

Shen Wenhou， Zhao Zhihua， Ren Gexue， et al. MultiBody Dynamic Simulation of Impact on Cross Deck Pendant[J]. Journal of Vibration and Shock， 2015， 34 （5）： 73-77. （in Chinese）

[8] 张鑫， 李玉龙， 刘元镛， 等.飞机对中和偏心拦阻钩索动力学分析[J].机械强度， 2008， 30（4）： 549-554.

Zhang Xin， Li Yulong， Liu Yuanyong， et al. Arresting Hook and Cable Dynamics of Aircraft Arrest Landing on or off Center[J]. Journal of Mechanical Strength， 2008， 30 （4）： 549-554. （in Chinese）

[9] 时党勇， 李裕春， 张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析[M]. 北京： 清华大学出版社， 2005.

Shi Dangyong， Li Yuchun， Zhang Shengmin. Explicit Dynamic Analysis Using ANSYS/LSDYNA 8.1[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2005. （in Chinese）

[10] 尚晓江， 苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法和工程实例.中国水利水电出版社， 2006.

Shang XiaoJiang， Su Jianyu. Dynamic Method and Engineering Practices Using ANSYS/LSDYNA[M]. Beijing： China Water & Power Press， 2006. （in Chinese）

[11] 汤昊， 赵俊利， 王凯， 等.运动体碰撞动力学过程的数值仿真分析[J].机电技术， 2015（1）： 14-16.

Tang Hao， Zhao Junli， Wang Kai， et al. Numerical Simulation of Dynamic Process FormultiBody Collision[J]. Mechanical & Electrical Technology， 2015（1）： 14-16. （in Chinese）