仿真技术在装备环境适应性试验与评价中的应用

陈典斌,柯宏发,韩东霏

(1.解放军航天工程大学,北京 101416;2.中国白城兵器试验中心,吉林 白城 137001)

仿真技术在装备环境适应性试验与评价中的应用

陈典斌1,2,柯宏发1,韩东霏2

(1.解放军航天工程大学,北京 101416;2.中国白城兵器试验中心,吉林 白城 137001)

通过分析装备环境适应性要求,阐述了环境对装备的影响.利用评价方法研究其影响特征,基于多种常见环境试验条件和相关理论数据建立了装备环境适应性模型并进行仿真计算.通过实例验证分析合理,方法可行.提出针对装备环境适应性试验,开展评价机制建设,形成贯穿始终的试验管理体系,以充分考核装备的环境适应能力的理念.

仿真技术;装备;环境适应性;评价

装备是用于实施和保障军事行动的武器、武器系统和军事技术器材等的统称,其故障或损坏多由环境因素导致.装备使用地域高度分散,执行任务多样复杂,环境的巨大差别导致其配备装备面临各种极端条件的考验和危害.在严酷自然环境作用下,装备未损坏、能够正常工作并维持在其寿命周期内贮存、运输和使用等状态的能力就被称为环境适应性.环境适应性的优劣与装备的先进性能息息相关,其评价机制能够对其进行有效监督和控制.装备环境适应性评价方法主要分为试验评价法、灰色关联分析评价法、模糊综合评估方法和环境适应度评价法几类.文中以试验评价法为基础,针对装备应用地域及特点,将装备置于高温、低温、淋雨、太阳辐射、盐雾、砂尘、振动和低气压等试验室模拟环境中进行考核,并与仿真试验数据对比验证,得到装备经受环境作用后的性能变化、功能影响的对比及数据预测结果,提出了考虑寿命预测的装备环境适应性评价方法.

1 环境影响

装备作战环境复杂多样,其装备适应性面临着地形、气候、海情、电磁辐射等自然环境和电子战、火力、核辐射、化学武器等作战环境的共同作用.苛刻环境条件会对装备内部精密电子器件性能产生负面影响,适应性较差的装备不仅能使装备结构受到损坏、降低其作战能力,严重的会导致任务的失效.为更精确的对装备进行适应性评估,保证装备适应恶劣的战场条件,作战环境试验应尽可能模拟自然模拟环境或在实战条件下进行;装备若不能够满足严苛环境条件下的使用要求,则可以发现其环境适应性设计缺陷,可反馈厂家以便其及时改进.

2 装备环境适应性试验与评价

装备战斗力与环境密切相关,环境适应性已成为检验装备质量的重要指标.在极端环境作用下,环境适应性以装备在其寿命周期内产生损坏失效或有故障作为判断条件,将其能否生存作为定性判据,若不能运行但在故障排除后能够正常工作则看为适应;而不能正常工作则看为不适应.装备环境适应性评价就是对装备的应用情况、物理性能和受损修复后能否正常运作进行评价,以决定其适应性的合格与否,装备环境适应性不合格则不能投入使用.与器材类装备不同,包含或由精密部件、特殊材料等构成的复杂装备的适应性主要受战场环境和储存环境影响,因材料性质、结构特点与使用频率等原因,该类装备在进行模拟环境试验时的评价将更为复杂.国内常用试验评价法即利用多年来收集的自然环境试验、实验室环境试验、部队试验数据和长期监测来进行评估,这些方法虽然被大量应用,但仍存在试验周期长、成本高、环境试验项目选择上存在盲目性、数据不够精准、难以对装备使用寿命及其可靠性进行预测和分析的严重隐患;而仿真建模可大幅缩短试验周期、提高工作效率和降低未知风险,并提供基于理论基础的科学评价机制,美国已将其广泛应用在武器装备环境适应性试验与评价机制中.因此,可以采用仿真试验与常用试验评价法结合的方法进行评判,将历史数据与模拟分析得到的数据进行比对,以提高试验与评价结果的准确性和工作效率.

3 仿真技术在装备环境适应性试验中的应用实例

仿真技术主要是通过计算机软件绘制结构、设置实际试验状态相关参数、再通过数值计算进行多条件、多状态下分析.这种高科技的试验方法已广泛应用于国外的军队装备设计、研究和模拟环境试验中.该项技术研究一般以实战需求为基础,最终目的是建立完善、统一的试验信息数据库系统,以增加环境适应研究的深度和广度.因此,可以针对各类装备性能状态、结构特点与所处环境类型,基于自然环境对装备的影响程度建立相关仿真模型,对其适应性进行分析、预测和判断.

3.1 温度

温度对装备的影响很大,过高或过低及保温时间过长都会引起部件发生损坏、接触、密封、故障、失效等问题.如何提前准确判定温度稳定时间的长短,避免过保温或欠保温的情况,成为了装备环境适应性试验合格与否的重中之重.

针对复杂结构方舱进行建模,从数值计算基础上进行了高温温度场数值分析,复杂结构方舱所有线路板测点加载30℃时,3.33h温度平衡;加载60℃时,6.5h达到平衡;整体结构加载30℃时,18.8h温度平衡,加载60℃时为28h;以圆柱形装药件(图1)为例,进行低温传热分析,装药件-55℃低温试验,试件温度稳定时间为23.8h.仿真研究若与实际试验相结合,可针对武器装备重点考察部位,在试验前与主持单位及厂家进行曲线合理性分析,为部分与整体温度平衡时间值的确定提供理论数据.

图1 装药件结构

3.2 太阳辐射

太阳辐射作用会使装备材料老化、引发绝缘和密封失效问题,其表面温度场分布是试验重要指标.以火炮为例,身管表面温度场分布可判定其弯曲变形程度,更决定首发命中率.本文在某型火炮身管上选取横向2个、纵向15个测量点(图2)进行分析,从图中可知,同一截面上各点温度值呈非线性分布,其幅值与辐照强度成线性递增关系.

3.3 积冰/冻雨

积冰/冻雨极端天气会造成武器装备性能降低或失效,影响工作人员安全,削弱装备野外生存能力和部队战斗力.选择环境平均温度-7.0℃、持续时间30min、雨强4.4cm/h、水温1.5℃和水滴直径0.5～0.7mm之间的实际条件,在2.5m高度对其进行喷淋,得到不同材料表面积冰厚度试验验证数据;以铝板、硬铬板和不锈钢板为例,进行了仿真分析,并将模拟数据与实际数据进行比对,验证了模拟分析的可行性(图3).

图2 身管温度曲线

图3 试验验证数据

3.4 砂尘

砂尘颗粒高速进入装备内部会造成精密元器件磨损腐蚀,导致电器产品接触不良、打火困难、油/气路堵塞等现象.以某型装备侧壁为研究对象(图4),人工制造腐蚀坑,通过FSM法分析监测区域,用电阻网络数学模型公式计算坑蚀剩余厚度,有限元分析和实验结果一致.

3.5 振动

图4 模型及计算结果

运输或使用过程中的机械振动会使装备发生断裂、内部元器件产生引线和结构损伤等现象.以某型弹药箱为例,数值模拟求解其固有频率和振型,可为炮弹箱的优化设计提供科学依据,为振动试验提供了理论验证基础.

3.6 盐雾

装备在沿海等盐雾作用较强的地方使用会产生腐蚀缺陷,昂贵的造价使我们不可能因为表面损坏或者其内部出现机械卡死、堵塞、损坏等使整体性能下降的现象或故障就停止使用,故对其进行剩余寿命预测与结构可靠性分析是非常必要的.以某试验管道为例,利用VB和MATLAB系统编程,以灰色理论GM(1,1)模型为基础,结合ASME B31G标准,建立腐蚀管道可靠性模型;分析其剩余寿命并计算结构可靠度,用实例验证了计算结果合理,如图5所示.

图5 分析计算结果

4 结语

装备环境适应性的传统研究方法是其研制、配发和改进的基本依据;仿真建模是进行试验预测、科学评价的理论基础.文中对典型环境进行模拟仿真,并将仿真结果与实际试验数据进行分析比对,验证了其准确性.两者的结合完善了装备全寿命周期环境试验的机制,为研究环境因素对装备的影响机理提供基础数据.

在后续装备环境适应性试验中,开展大量仿真分析研究,可对装备建立可调整结构有限元模型,在试验前与主持单位及厂家进行环境试验项目确定、试验曲线合理性分析;结合其适应性问题,根据装备服役环境条件,利用数学方法确定影响装备失效的主要因素,根据计算结果设计环境试验来对装备进行考核,可得到其理论环境适应性参数.这些环境试验理论数据与模拟数据的收集,可以科学指导环境试验、优化试验程序设计、提升人员分析评价水平,也可以对复杂作战环境中的装备进行剩余寿命预测、应用可靠性分析等,对提高装备环境试验合理性和战场实用性具有很好地指导意义.

[1]GJB 6117-2007,装备环境工程术语[S].

[2]谭国斌,李德生,岳巍强,冯树兴,张强.后勤装备环境适应性试验探析[J].军事交通学院学报,2009,11(4):115-117.

[3]GJB4239-2001,装备环境工程通用要求[S].

[4]王宏伟,赵云峰,陶帅.装备全寿命周期环境适应性评价若干问题探讨[J].装备环境工程,2013,10(1):70-72.

[5]朱辉.电子信息装备环境适应性探讨[J].电讯技术,2007,2(54):212-217.

[6]周堃等.浅谈装备环境适应性与可靠性[J].装备环境工程,2014,1(11):72-76.

[7]胥泽奇,张世艳,宣卫芳.装备环境适应性评价[J].装备环境工程,2012,1(9):54-59.

[8]刘刚等:美陆军装备环境适应性试验与评价机制及启示[J].军事交通学院学报,12(14):24-26.

[9]周林,陶建锋,王君.地空导弹装备环境适应性模糊综合评价模型研究[J].装备指挥技术学院学报,2006,17(2) :62-66.

[10]韩东霏,陈典斌等.基于有限元分析软件的武器装备温度场数值仿真研究[J].科技创新导报,2016,17(15):79-82.

[11]陈典斌,韩东霏.基于ABAQUS的某炮弹箱在随机特定激励下的结构响应[J].兵器试验,2007,6:12-15.

[12]韩东霏.某设备箱在随机特定激励下的结构响应分析[J].中国设备工程,2017,1:56-58.

[13]陈典斌,韩东霏等. 基于VB/GM(1,1)/MATLAB的腐蚀管道剩余寿命预测及结构可靠度分析[J].腐蚀与防护,2015,2(22):33-36.

TP391.9

A

1671-0711(2017)11(下)-0102-03