虚拟振动技术在防空导弹研制中的应用

段宇霆

摘要：在防空导弹研制阶段，准确预示导弹在使用环境条件下的振动响应对评估、考核弹体结构及弹载设备的抗振性能和使用性能有重要意义。本文开展基于虚拟样机的全弹虚拟振动技术研究，在设计阶段利用有限元仿真技术来模拟导弹在使用环境条件下的振动;依据虚拟振动数据为导弹进行优化设计提供支撑，避免导弹因振动问题带来的研制风险，提高导弹研制效率。

关键词：防空导弹;虚拟振动;有限元仿真计算;

1 前沿

长期以来，防空导弹往往通过振动试验、冲击试验、加速度试验、颠震试验、跌落试验等地面力学环境试验来模拟相应的振动、冲击、加速度、跌落、颠震等环境条件，对导弹的部、组件和分系统，直到全系统进行性能试验，以此来考核/评估导弹的使用性能和参数。然而，导弹振动试验等地面力学环境试验往往在导弹研制末期进行，其准备周期长，且都在导弹完成总装测试之后才能开展，一旦发现问题往往严重影响项目研制进度，甚至导致项目停滞或搁浅。同时，由于试验条件的限制，地面力学环境试验一般难以完全模拟导弹在飞行过程中的环境条件。因此，亟需在设计阶段通过仿真分析手段来发现导弹振动问题并加以解决，通过更贴近实际使用环境的仿真分析对地面力学试验进行有效、合理的补充。

本文针对导弹在研制中对虚拟振动分析的迫切需求，开展基于虚拟样机的全弹虚拟振动相关技术研究，分析导弹结构及设备安装情况，建立导弹全弹结构动力学虚拟仿真样机，在仿真环境下进行导弹各类力学使用环境（振动、冲击等）条件下的响应分析，为导弹的研制和设计提供参考。

2 虚拟振动分析在导弹研制中的作用及意义

防空导弹的研制流程如图1所示，开展虚拟振动分析，借助仿真手段，有助于工程设计人员在导弹设计阶段就发现并解决导弹自身结构中潜藏的隐患，避免在试验阶段出现问题从而影响整个研制过程的进度。

图1  导弹研制流程图

2.1 减少设计迭代，降低研制风险

防空导弹的研制通常经历“武器系统设计—零部件生产—总装总调—地面测试及试验—飞行试验”等过程。导弹的地面力学环境试验往往在导弹总装完成后才能开展，试验中发现、暴露的问题必须通过开展相关设计改进、返修等工作加以解决，费时费力。如果在导弹设计阶段就能够并行进行导弹振动、冲击等力学环境试验仿真并发现相关的问题，则能够及时进行设计改进，从而避免大的反复，降低研制风险，提高研制进度。

2.2 预试验仿真，指导保障地面力学环境试验

在开展振动试验等力学环境试验之前，利用仿真技术完成相关的预试验分析具有应用价值，不仅能帮助试验设计人员预先了解受试产品在试验中的响应特性，而且也能使試验设计人员对所选用的试验设备、仪器和试验工装是否能够承担完成这种试验条件下的振动试验，以及对振动控制点的选择、试验参数设置的合理性做到心中有数。

2.3 突破试验条件限制，更完整的模拟使用环境

受目前试验条件及方法的限制，导弹的地面力学环境试验往往不能完全模拟导弹的真实使用环境。比如：当前振动试验只能提出全弹的功率谱密度，而各个舱段的功率谱则只能通过飞行试验收集相关数据后经归纳整理得出;振动试验难以在三个方向（X、Y、Z）同时进行，导弹各位置点尤其是导弹内部的振动响应数据难以完整获取;同时，实际的振动试验结果中往往存在某些舱段（特别是头部）振动量级过大，振动环境设置不合理等问题。而虚拟振动仿真不受试验条件及方法的限制，在仿真环境中能够有效避免上述问题，为各分系统的设计提供一定的参考依据，是振动试验等力学环境试验的有效、合理补充。

3 基于虚拟样机的导弹虚拟振动技术研究

虚拟振动在防空导弹研制中的实现可以概括为：

导弹虚拟振动结构建模及修正：完成对导弹全弹、弹上相关设备以及振动激励设备等的精细化有限元建模;以试验数据为依据进行虚拟样机模型修正，提升虚拟样机置信度;

导弹虚拟振动仿真：通过有限元仿真软件，模拟导弹在使用环境条件（振动、冲击、加速度等）下的各种响应;根据虚拟振动数据对导弹进行相应的优化设计。

3.1 高置信度虚拟样机的构建及修正

在研究中，全弹结构虚拟样机的构建十分重要。虚拟样机构建的精细与否，直接关系到仿真分析结果的精确性以及可信度。由于分析过程中存在众多的不确定因素以及建模中引入了多种假设，比如边界条件的误差，物理参数的误差，结构连接条件的失真，局部或整体的非线性等，使得有限元分析模型预示结果与实际结构的动力学特性之间必然存在误差。为了尽量消除因建模参数不准确造成的动力学特性预示的偏差，往往采用模态试验实测数据对初始有限元模型及相关边界条件进行修正和完善，从而得到高置信度的全弹结构虚拟样机。高置信度虚拟结构样机构建过程如图2所示。

图2  高置信度虚拟结构样机构建过程示意

3.2 虚拟振动仿真及预试验分析

在完成导弹结构虚拟样机的模拟仿真之后，开展振动试验等力学环境试验之前，需通过预试验分析，利用仿真技术预先了解导弹在试验中的响应特性。例如根据仿真结果，获取导弹前几阶弯曲频率、振型节点等模态参数，为正式试验确定合适的频率范围和试验参考点;根据导弹在输入激励作用下的输出响应幅值，选定所需传感器类型和个数。

预试验分析的正确性，直接关系到试验设计人员对导弹在试验中相关问题的判断和解决。

4 结论

本文通过分析振动试验、冲击试验等地面力学环境试验在当前防空导弹研制过程中的局限性和不足，表明了虚拟振动仿真在防空导弹研制过程中的需求和迫切性，并阐述虚拟振动在导弹研制过程中的具体实现过程和相关方法，能够避免导弹因振动问题带来的研制风险，提高导弹的研制效率。

参考文献

[1] 刘习军，贾启芬. 工程振动理论和测试技术[M]. 北京：高等教育出版社， 2004.

[2] 周远方.虚拟振动环境试验的初步尝试[C]. 2002年度航天第十情报网学术交流会论文集，四川绵阳，2010，18（4）49-57.

[3]李德葆，陆秋海.工程振动试验分析[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.