舰载导弹在舰载飞机着舰作用下冲击环境仿真*1



舰载导弹在舰载飞机着舰作用下冲击环境仿真*1

姚术健1，张舵1，时旺2，杨清伟2

(1.国防科技大学 理学院，湖南 长沙410073； 2.北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA动力分析软件，针对大型航空母舰舰载飞机降落对航母的冲击响应过程及对其内舰载导弹的冲击环境问题进行了数值仿真分析。建立了航空母舰的1：1有限元模型，该模型主要由壳单元和梁单元组成，适用于动力分析计算。研究了飞机在航母甲板上起降对甲板的冲击响应过程，分析了航母导弹贮存典型位置处的冲击环境并给出了加速度谱。结果表明：飞机降落会对甲板造成较大冲击，使着舰点附近产生较大应力；监测点受到的冲击加速度较大，为了航母及导弹的安全，导弹贮存平台应设置缓冲减振装置；着舰点位置对监测点的冲击环境影响显著，因而导弹贮存平台的布置应尽量远离飞机着舰点；冲击强度从主甲板往下开始衰减迅速，而后衰减渐趋于平缓。

关键词：航空母舰；舰载导弹；舰载飞机；冲击响应；冲击环境；数值仿真

0引言

航空母舰在正常工作过程中，不可避免将遭受舰载飞机起降对航母甲板及舰载设备等的冲击，这些冲击作用会对舰内设备的正常运转产生影响，处理不当甚至会引起舰载导弹失效或舰内引爆等严重后果[1-2]。因此，开展航空母舰在飞机降落着舰冲击作用下的动态响应和舰内导弹贮存平台冲击环境研究具有重要的现实意义和军事应用价值。有限元软件ANSYS/LS-DYNA在结构的冲击响应领域运用广泛[3-4]，本文运用该软件，建立了航空母舰的有限元模型，并对大型航母舰载飞机起降对航母内导弹贮存平台的冲击响应问题进行了数值仿真分析。研究了飞机在航母甲板上起降对甲板的冲击响应过程，分析了航母内导弹贮存位置处的冲击环境并给出了加速度谱。

1计算模型

以美军尼米兹级大型航空母舰为研究对象，该舰长332.8 m，宽40.8 m，飞行甲板宽76.4 m，吃水11.3 m。舰体由上至下设有飞行甲板、主甲板、第2层甲板等7层甲板，舰内总共设有23道横向水密隔舱壁与10道防火隔舱壁，将整个舰体划分成了2 000多个水密舱室。依据上述结构尺寸，进行适当简化，利用ANSYS14.0与HYPERMESH11.0软件对航空母舰进行有限元建模与网格划分。建立的有限元模型整体效果图如图1所示。航母采用SHELL163壳单元和BEAM161梁单元，网格尺寸1 m。航母采用Johnson-Cook(J-C)材料模型和Gruneisen状态方程，所有材料模型参数见文献[5-6]。

对舰载机的建模[7-8]，考虑从舰尾降落，着舰点位于航空母舰的偏后部位，飞机用长、宽、高分别为7,5,2 m的质量块模拟，飞机着舰时认为油料已差不多耗尽，对应为飞机空载的质量为18 400 kg，则质量块密度为263 kg/m3。舰载飞机与航母的有限元模型如图2所示。

图1　有限元模型Fig.1　Finite element model

图2　舰载飞机着舰计算模型Fig.2　Aircraft landing calculation model

本文共选取3个典型导弹贮存平台位置进行计算数据收集，3个点依次计为A，B，C，其中，3个点分别位于舰首、中、尾部，如图2b)所示。

2冲击响应过程分析

不同类型舰载机、不同着舰方式对应的着舰角和着舰速度都不同[9-10]，本文考虑2种工况进行分析：工况1，飞机的进场着舰角为10°，着舰速度70.14 m/s；工况2，着舰角为30°，着舰速度160 m/s。经分析，2种工况冲击响应过程类似，故只以工况2为例对冲击响应过程进行分析。舰载飞机降落与航母甲板作用过程如图3所示。由图可知，飞机着舰瞬间，对甲板造成较大冲击，着舰位置处甲板单

元产生的应力较大，之后飞机向前滑行，甲板应力较大区域跟随飞机的移动而移动，并且应力逐渐向四周传播。

3导弹贮存平台冲击环境分析

3.1工况1

对图2所述的典型位置进行分析，工况1在飞机降落冲击作用下的加速度时程曲线及相应的加速度冲击响应谱如图4所示。着舰点位于B和C位置中点附近，其中C位置距离飞机着舰点稍近，其所受的冲击作用更严重，其加速度最大值约为217g，冲击响应谱中，对应1 068 Hz 频谱的加速度谱值达1 443g。

图3　舰载飞机降落与航母甲板作用过程(Von-mises应力云图，单位Pa，时间单位：s)Fig.3　Impact process (Von-mises stress fringe plot, unit: Pa; time unit：s)

图4　监测点的加速度时程曲线与加速度谱(工况1)Fig.4　Acceleration-time curves and acceleration　　　shock spectrums (simulation1)

3.2工况2

工况2的加速度时程曲线及相应的加速度冲击响应谱如图5所示。C位置靠近飞机着舰点，其所受的冲击作用最严重，其加速度最大值达到1 365g，冲击响应谱中，对应800 Hz频率的加速度谱值达5 398 g。因而为保证导弹的安全存储，必须设置缓冲减振装置以减小导弹所受到的冲击荷载。

图5　监测点的加速度时程曲线与加速度谱(工况2)Fig.5　Acceleration-time curves and acceleration　　　shock spectrums (simulation2)

我国的设备冲击环境标准GJB150主要引用美国的901系列标准，包括轻型和中型的冲击机都仿照美国设计。对于轻型设备(美国标准定义为质量小于120 kg，我国国军标GJB150-86规定为质量小于200 kg)最大谱加速度2 000g，3个方向的冲击谱值相差不大。中型质量设备(120 kg

4冲击强度衰减分析

为了研究飞机对飞行甲板的冲击在航母内不同甲板层上产生响应的强度程度，对着舰点正下方各层甲板上的点进行监测，这些点从主甲板往下分别记为D1～D7。以工况1为例对冲击强度的衰减规律进行分析，通过仿真得到各点的加速度谱的最大值，并对其规律进行拟合，如图6所示。记加速度谱的最大值为Amax，各甲板监测点编号为Dx，对加速度谱值点数据进行拟合，得

(1)

由曲线可知，冲击强度从主甲板往下开始衰减迅速，冲击传到到第2甲板时，已经衰减了30%，而后衰减渐趋于平缓。

图6　冲击强度衰减规律分析图Fig.6　Analysis of the impact intensity attenuation

5结束语

本文针对大型航空母舰舰载飞机降落对航母的冲击响应过程及对其内舰载导弹的冲击环境问题，运用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值仿真分析。建立了航空母舰的1：1有限元模型，该模型主要由壳单元和梁单元组成。研究了飞机在航母甲板上起降对甲板的冲击响应过程，分析了航母内导弹贮存平台位置处的冲击环境并给出了加速度谱。结果表明：①建立的航母有限元模型适用于动力分析计算；②飞机降落会对甲板造成较大冲击，着舰点附近产生较大应力；③主甲板上典型位置受到的冲击加速度较大，为了导弹的贮存安全，导弹装载平台应设置缓冲减振装置；④着舰点位置对监测点的冲击环境影响显著，因而对于导弹贮存平台的位置应尽量远离飞机着舰点；⑤冲击强度从主甲板往下开始衰减迅速，而后衰减渐趋于平缓。

参考文献：

[1]王萌辉,赵波. 舰载飞机起降动力学研究[J]. 飞机设计, 1997(3):21-33.

WANG Meng-hui, ZHAO Bo. Study on the Take-off and Landing Dynamics of Carrier-Based Aircraft [J]. Airplane Design, 1997(3):21-33.

[2]钟阳,曹长勇. 飞机起降过程中机场道面的动力响应[J]. 动力学与控制学报, 2008, 6(1):83-87.

ZHONG Yang, CAO Chang-yong. Dynamic Response of Airport Pavement then Airplane Takes off or Lands [J]. Journal of Dynamics and Control, 2008,6(1):83-87.

[3]姚术健,卢芳云,蒋志刚，等. 钢箱内部爆炸冲击波载荷及破坏模式研究[J]. 兵工学报, 2013(34):314-320.

YAO Shu-jian, LU Fang-yun, JIANG Zhi-gang, et al. Study on the Shock Wave and Failure Modes of Steel Box Subjected to Internal Blast Loading [J]. Acta Armamentarii, 2013(34):314-320.

[4]姚术健,蒋志刚,卢芳云，等. 汽车炸弹钢箱梁内部爆炸局部破坏效应分析[J]. 振动与冲击, 2015,34(7):222-227.

YAO Shu-jian, JIANG Zhi-gang, LU Fang-yun, et al. Analysis on the Local Damage of A Steel Box Girder under Internal Blast Loading of Vehicle Bomb[J]. Vibration and Shock，2915,34(7):222-227.

[5]JOHNSON G R, COOK W H. Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strains, Strain rates,Temperatures and Pressures[J]. Eng Fract Mech，1985，21(1): 31-48.

[6]JOHNSON G R, COOK W H. A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rate and High Temperatures[C]∥Proceeding of the 7th International Symposium on Ballistics. Hugue, Netherlands：541-547.

[7]ZHANG Wen, ZHANG Zhi, ZHU Qi-dan, et al. Dynamics Model of Carrier-Based Aircraft Landing Gears Landed on Dynamic Deck [J]. Chinese Journal of Aeronautics，2009，22(4): 371-379.

[8]WANG Wei-jun, QU Xiang-ju, GUO Lin-liang. Multi-Agent Based Hierarchy Simulation Models of Carrier-Based Aircraft Catapult Launch [J]. Chinese Journal of Aeronautics，2008，21(3): 223-231.

[9]陈稗,昂海松. 舰载飞机起降特点及性能分析[J]. 江苏航空, 2011(3):2-5.

CHEN Bai, ANG Hai-song. Analysis of Take-off and Landing Characteristics and Performance of Carrier-Based Aircraft [J]. Journal of Jiangshu Aviation，2011(3):2-5.

[10]陈稗,昂海松. F/A-18F舰载飞机起降特性分析[J]. 南昌航空大学学报：自然科学版， 2011, 25(3):66-74.

CHEN Bai, ANG Hai-song. Analysis of Take-off and Landing Characteristics of F/A-18F Carrier-Based Aircraft [J]. Journal of Nanchang Hangkong University：Natural Sciences ed， 2011, 25(3):66-74.

[11]刘建湖, 潘建强, 何斌. 各主要国家海军舰艇抗冲击标准之比较[C]∥ 哈尔滨：第三届全国舰艇抗冲击技术交流会，2009:146-154.

LIU Jian-hu, PAN Jian-qiang, HE Bin. Comparison of Anti-impact Criteria for Naval Vessels of Major Countries [C]∥Haerbin： The 3rd national conference on impact technology of naval vessels，2009:146-154.

[12]MIL-S-901D Military Specification Shock Tests, H. I. (High-Impact) Shipboard Machinery, Equipment, and Systems, Requirements for DoDSIF Issue[S].1989.

Numerical Simulation on Dynamic Response of Aircraft Carrier Under Impact of Aircraft Landing

YAO Shu-jian1， ZHANG Duo1，SHI Wang2，YANG Qing-wei2

(1. National University of Defense Technology,College of Science,Hunan Changsha 410073,China;2. Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854,China)

Abstract:The dynamic response process and the impact environment of big aircraft carrier under impact of aircraft landing are investigated with nonlinear finite element software LS-DYNA. The finite element model of an aircraft carrier with real dimension is built by using ANSYS software. This model is mainly made up of shell and beam element and can be used for dynamic analysis. The acceleration spectrums of the representative position of guided missile are obtained and the results show that the landing of the aircraft leads to severe impact to the deck, the response acceleration of the nearest position is so great that shock absorbers and buffers should be set up to reduce the impact influence to the missiles. The landing position has significant influence on the impact environment of the gauging point, so important devices should be setup away from the landing position. The impact intensity attenuate fast from the main deck to the second deck.

Key words:aircraft carrier; shipborne missile; shipborne airplane;impact response; impact environment;numerical simulation

中图分类号：E925；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0230-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.037

通信地址：410073湖南长沙国防科技大学1号院理学院工程力学教研室 E-mail：128656288@qq.com

作者简介：姚术健(1988-)，男，湖南新宁人。博士生，主要从事结构抗冲击、抗爆炸分析与工程防护研究。

*收稿日期：2014-07-25；修回日期：2014-09-03