某机载光电设备窗口玻璃鸟撞仿真分析

温庆荣,蔡 荣,魏梦琦,刘宏旭,胡建飞

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

某机载光电设备的光学系统包括了红外和激光两个波段,可实现对作战目标的观察、跟踪、瞄准和测距。为了适应机载的工作环境,同时满足激光和红外两个波段的光学高透过率需求,该设备采用ZnS作为窗口玻璃实现对内部精密光机的保护。根据动量定理,一只0.45 kg的鸟与时速960 km的飞机相撞,会产生216 kN的力,高速运动使得鸟撞的破坏力达到惊人的程度,并且根统计80 %鸟撞事故是发生在飞机起飞、爬升和进近、着陆阶段,因此有必要针对载机在起降的低空高速工作状况下,对窗口玻璃进行力学仿真分析,明确窗口玻璃的鸟撞耐受性能[1-2],确保设备的安全性能。

鸟撞是发生在毫秒量级的非线性冲击动力学问题,且高速动态下的碰撞无法用准静态弹塑性力学进行分析,其复杂性和特殊性主要表现有两点:(1)ZnS属于特殊的脆性材料,在高应变速率下会明显改变结构材料的本构关系,它不仅提高了材料的瞬时极限强度,而且也提高了材料的屈服应力,扩大了弹性范围,并使材料脆化；(2)鸟撞产生的惯性效应导致撞击载荷所产生的结构内力以应力波形式传播,撞击所产生压应力波在结构中传播以及到达结构自由界面后的反射波可能导致与静力学完全不同的结构破坏形式。

为此,本文首先通过试验分析了ZnS玻璃在准静态和高速动态下的力学性能参数,在此基础上建立了鸟体模型,网格划分后通过动力学仿真软件对光机模型进行了分析,从鸟体质量和速度两个维度全面评价玻璃的损伤情况,得出其鸟撞耐受性。

2 ZnS玻璃的力学试验。

为了更接近真实工况,本文选取该机载光电设备上实际装配的ZnS玻璃样件为试验对象,通过准静态和中高应变率下的压缩试验,测出其极限应变和极限应力[3-4]。结果如表1所示。

表1 样件的力学参数计算结果Tab.1 The mechanics parameter of glasssample from calculating

3 仿真参数的分析及选取

随着飞机飞行高度和速度的不同,鸟体和飞机之间发生撞击的过程持续时间大约在毫秒级,撞击过程非常复杂,平均鸟撞力的经验公式如式(1)所示:

(1)

式中,Fav为平均鸟撞力；m为鸟质量；V为鸟体与飞机的相对速度；θ为速度与撞击面法线的夹角。

由于窗口玻璃和骨架的力学参数及三维模型已经通过试验和三维软件获得,因此本文根据载机的实际作战环境和作战需求,针对鸟体模型、撞击速度和撞击角度分别进行分析,进而确定仿真分析中的参数。

3.1 鸟体模型的选取及分析

我国是鸟类资源丰富的国家,有已知鸟类1329种,其中候鸟565种。在航空器鸟击报告中,雀形目鸟是次数最多的,占35 %；其次是鸥类,占24 %；猛禽类占12 %；鸽子和家鸽占11 %；水鸟占8 %。因此,结合机载设备使用环境的需求,综合考虑国内外相关鸟撞标准和规范,本文选取了四种鸟类的重量,分别是1500 g、500 g、70 g和45 g,在此基础上进行仿真模型的建立。

3.2 碰撞速度的选取及分析

通过查找文献资料可知,国外现有一些战机的起降速度各不相同,如美国海军规定舰载机的起降速度分别为278 km/h和260 km/h,阵风战斗机轻载下起降速度为213 km/h,通用动力的F-16战斗机起降速度是407 km/h。

目前国内有关飞机风挡、雷达罩等结构件的鸟撞试验和仿真研究中,选用的鸟撞工况,鸟撞速度多采用500 km/h。

由于不同的鸟体重量在相同的速度下对玻璃的撞击程度是不一样的,因此结合上述分析,综合考虑现有载机的工作环境和任务,本文针对不同的鸟体重量采取的分析速度也不尽相同。其中,45 g和70 g两种鸟体的撞击更多关注玻璃的应力变化,以此评价玻璃光学性能的损伤；而500 g和1500 g的鸟体撞击则关注于玻璃是否发生破坏,以此评价对飞机整体安全性能的影响。本文对45 g和70 g的鸟体选取213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4种速度分析,而对500 g和1500 g的鸟体则更关注玻璃临界破坏的速度。

3.3 撞击角度的选取

本文涉及的载机起飞时仰角一般在0～45°之间,而载机上的光电设备为了隐身需要采取了多棱面的玻璃拼接外形,沿着航线方向的玻璃夹角很小,因此综合考虑,鸟体与玻璃的撞击角度按照载机水平方向考虑。

4 鸟体模型的建立

鸟体建模包括SPH法、ALE法和拉格朗日法等。拉格朗日法计算当中需要删除单元,否则单元畸变严重,导致计算被迫中止,计算难以保证精度。在高速碰撞情况下,SPH单元计算方法快速而且准确,目前常被用于鸟撞的模拟[5-6]。

本模型鸟体为SPH单元,由点粒子构成。SPH单元的粒子数量要根据粒子间距来决定,粒子的间距要与被撞的玻璃网格尺寸匹配,二者的尺寸大小应大约相等[7-8]。

4.1 鸟体模型的状态方程

当前仿真中应用于鸟体模型的状态方程有Gruneisen状态方程和Mornaghan状态方程,Mornaghan状态方程参数少而Gruneisen状态方程需要的参数较多。两种状态方程的详细介绍如下:

(1)Gruneisen状态方程

Gruneisen状态方程描述鸟体的压力和变形的关系,如式(2)所式:

(2)

式中:C表示声音在鸟体中的传播速度;p表示鸟体内压,计算参数;E初始单位体积的内能,软件自动计算;γ为Gruneisen参数,0.5a为γ的一阶修正系数,默认值;S表示波速-固体速度曲线各阶斜率,默认值。各参数取值如表2所示。

表2 模型参数Tab.2 Model parameter

(2)Mornaghan状态方程

Mornaghan状态方程描述鸟体的压力和变形的关系,如式(3)所式:

(3)

k0和γ是材料常数,采用的模型参数:

k0=128×106,γ=7.98

对两个模型均进行了仿真,计算结果非常接近,几乎没有什么差异,本文最终采取了能够准确获得其参数的Gruneisen状态方程。

4.2 鸟体模型材料和属性

(1)鸟体材料

鸟体材料选择MATL_NULL,鸟体的密度为950 kg/mm3。

(2)鸟体属性

鸟体属性选择SECTION_SPH。

属性参数根据dyna手册选择:

CSLH(Constant Smoothing Length of Particles)=1.2

HMIN=0.2

HMAX=2

4.3 鸟体形状及尺寸

(1)鸟体形状

仿真中用到的鸟体形状有圆柱体形、子弹形状、胶囊形状、圆球形状等,然而仿真中鸟体的具体形状没有准确的规定,一般根据实际的试验验证的鸟体形状来确定仿真中鸟体的形状。这里采用了仿真中使用最多、形状跟真实试验中鸟体较为接近的胶囊形状(两头为圆球形的柱体形状)。

(2)鸟体尺寸

鸟体的尺寸需要根据其质量和密度计算得出,密度已选为950 kg/mm3,则影响鸟体尺寸的因素为质量。由于3.1中已经针对仿真中涉及的鸟体模型进行了规定,即1500 g、500 g、70 g和45 g共4种,根据GJB2464-95(飞机玻璃抗鸟撞试验方法)中的要求,通过质量可以按照公式(4)和(5)进行尺寸的计算。

L=17.44m

(4)

D=0.5×17.44m

(5)

式中:L为鸟弹长度,cm；D为鸟弹直径,cm；m为鸟弹质量,kg。其中,鸟体柱体模型的长径比为2∶1。经查阅文献根据大多数鸟撞的研究情况采用胶囊型鸟体。如图1是建立的几个不同质量的鸟体模型。

图1 几种不同质量的鸟体模型Fig.1 Several bird model with different weight

5 光学窗口的鸟撞冲击仿真分析

鸟撞冲击的仿真过程采用相对运动的原理,即光学窗口与其骨架固定不动,给鸟体赋予一定的速度去撞击光窗。鸟体的撞击方向与骨架安装面平行,即水平撞击。玻璃与鸟体的接触采用

ERODING_NODES_TO_SURFACE接触,由于玻璃表面光滑,其摩擦系数设为0.1。针对不同重量的鸟体,本文进行了不同速度的仿真分析,以达到不同的评价效果。

5.1 45 g鸟体撞击仿真分析

针对45 g鸟体的仿真,本文选取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4种速度,结果如图2～图5所示。

图2 213 km/h时的应力和变形云图Fig.2 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 213 km/h

图3 260 km/h时的应力和变形云图Fig.3 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 260 km/h

图4 407 km/h时的应力和变形云图Fig.4 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 407 km/h

图5 500 km/h时应力云图(玻璃穿透)Fig.5 The stress nephogram with 45g birdstrike at 500 km/h(the glass is broken)

5.2 70g鸟体撞击仿真分析

针对70 g鸟体的仿真,本文选取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4种速度,结果如图6～图9所示。

图6 213 km/h时的应力和变形云图Fig.6 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 213 km/h

图7 260 km/h时的应力和变形云图Fig.7 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 260 km/h

图8 407km/h时的应力和变形云图Fig.8 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 407km/h

图9 500km/h时的应力云图(玻璃穿透)Fig.9 The stress nephogram with 70g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.3 500 g鸟体撞击仿真分析

针对500 g鸟体的仿真,本文着重分析其临界破坏速度,结果如图10～图12所示。

图10 150 km/h时的应力和变形云图Fig 10 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 150 km/h

图11 160 km/h时的应力和变形云图Fig.11 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 160km/h

图12 180 km/h时的应力云图(玻璃穿透)Fig.12 The stress nephogram with 500 g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.4 1500g鸟体撞击仿真分析

针对1500g鸟体的仿真,本文着重分析其临界破坏速度,结果如图13～图15所示。

图13 70 km/h时的应力和变形云图Fig 13 The stress and distortion nephogramwith 1500g bird strike at 70 km/h

图14 100 km/h时的应力和变形云图Fig.14 The stress and distortion nephogramwith 1500 g bird strike at 100 km/h

图15 120 km/h时的应力云图(玻璃穿透)Fig 15 The stress nephogram with 1500 gbird strike at 120 km/h(glass is broken)

5.5 分析结果

从上述分析结果可知,对于45 g和70 g的鸟体而言,速度小于500 km/h时的几个典型载机工况下,玻璃并未发生穿透,其应力应变也在玻璃的安全允许范围内,玻璃的临界破坏速度在500 km/h左右；对于500 g的鸟体,通过逼近法可知,速度小于180 km/h时,玻璃不会发生穿透,其应力应变也在玻璃的安全允许范围内,玻璃的临界破坏速度在180 km/h左右；对于1500 g的鸟体,通过逼近法可知,速度小于120 km/h时,玻璃不会发生穿透,其应力应变也在玻璃的安全允许范围内,玻璃的临界破坏速度在120 km/h左右。

6 结 论

本文以某机载光电设备的窗口玻璃在不同速度下的鸟撞耐受性为研究内容,通过动力学仿真软件建立物理模型,进行网格划分后展开鸟撞的仿真分析,从中得出玻璃在几个典型鸟体撞击下的破坏速度。本文的研究成果可以指导窗口玻璃的光机设计,并为该载机在其典型工况下提供定量的鸟撞耐受性。在此基础上,可以开展针对原理实物样机的鸟体撞击试验,通过其数据对仿真过程进行修正,提高仿真分析的拟合度,最终达到提升此类机载设备的工程化设计能力。