艦載導彈在艦載飛機著艦作用下沖擊環境仿真*1

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艦載導彈在艦載飛機著艦作用下沖擊環境仿真*1

姚術健1，張舵1，時旺2，楊清偉2

(1.國防科技大學 理學院，湖南 長沙410073； 2.北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA動力分析軟件，針對大型航空母艦艦載飛機降落對航母的沖擊響應過程及對其內艦載導彈的沖擊環境問題進行了數值仿真分析。建立了航空母艦的1：1有限元模型，該模型主要由殼單元和梁單元組成，適用于動力分析計算。研究了飛機在航母甲板上起降對甲板的沖擊響應過程，分析了航母導彈貯存典型位置處的沖擊環境并給出了加速度譜。結果表明：飛機降落會對甲板造成較大沖擊，使著艦點附近產生較大應力；監測點受到的沖擊加速度較大，為了航母及導彈的安全，導彈貯存平臺應設置緩沖減振裝置；著艦點位置對監測點的沖擊環境影響顯著，因而導彈貯存平臺的布置應盡量遠離飛機著艦點；沖擊強度從主甲板往下開始衰減迅速，而后衰減漸趨于平緩。

關鍵詞：航空母艦；艦載導彈；艦載飛機；沖擊響應；沖擊環境；數值仿真

0引言

航空母艦在正常工作過程中，不可避免將遭受艦載飛機起降對航母甲板及艦載設備等的沖擊，這些沖擊作用會對艦內設備的正常運轉產生影響，處理不當甚至會引起艦載導彈失效或艦內引爆等嚴重后果[1-2]。因此，開展航空母艦在飛機降落著艦沖擊作用下的動態響應和艦內導彈貯存平臺沖擊環境研究具有重要的現實意義和軍事應用價值。有限元軟件ANSYS/LS-DYNA在結構的沖擊響應領域運用廣泛[3-4]，本文運用該軟件，建立了航空母艦的有限元模型，并對大型航母艦載飛機起降對航母內導彈貯存平臺的沖擊響應問題進行了數值仿真分析。研究了飛機在航母甲板上起降對甲板的沖擊響應過程，分析了航母內導彈貯存位置處的沖擊環境并給出了加速度譜。

1計算模型

以美軍尼米茲級大型航空母艦為研究對象，該艦長332.8 m，寬40.8 m，飛行甲板寬76.4 m，吃水11.3 m。艦體由上至下設有飛行甲板、主甲板、第2層甲板等7層甲板，艦內總共設有23道橫向水密隔艙壁與10道防火隔艙壁，將整個艦體劃分成了2 000多個水密艙室。依據上述結構尺寸，進行適當簡化，利用ANSYS14.0與HYPERMESH11.0軟件對航空母艦進行有限元建模與網格劃分。建立的有限元模型整體效果圖如圖1所示。航母采用SHELL163殼單元和BEAM161梁單元，網格尺寸1 m。航母采用Johnson-Cook(J-C)材料模型和Gruneisen狀態方程，所有材料模型參數見文獻[5-6]。

對艦載機的建模[7-8]，考慮從艦尾降落，著艦點位于航空母艦的偏后部位，飛機用長、寬、高分別為7,5,2 m的質量塊模擬，飛機著艦時認為油料已差不多耗盡，對應為飛機空載的質量為18 400 kg，則質量塊密度為263 kg/m3。艦載飛機與航母的有限元模型如圖2所示。

圖1　有限元模型Fig.1　Finite element model

圖2　艦載飛機著艦計算模型Fig.2　Aircraft landing calculation model

本文共選取3個典型導彈貯存平臺位置進行計算數據收集，3個點依次計為A，B，C，其中，3個點分別位于艦首、中、尾部，如圖2b)所示。

2沖擊響應過程分析

不同類型艦載機、不同著艦方式對應的著艦角和著艦速度都不同[9-10]，本文考慮2種工況進行分析：工況1，飛機的進場著艦角為10°，著艦速度70.14 m/s；工況2，著艦角為30°，著艦速度160 m/s。經分析，2種工況沖擊響應過程類似，故只以工況2為例對沖擊響應過程進行分析。艦載飛機降落與航母甲板作用過程如圖3所示。由圖可知，飛機著艦瞬間，對甲板造成較大沖擊，著艦位置處甲板單

元產生的應力較大，之后飛機向前滑行，甲板應力較大區域跟隨飛機的移動而移動，并且應力逐漸向四周傳播。

3導彈貯存平臺沖擊環境分析

3.1工況1

對圖2所述的典型位置進行分析，工況1在飛機降落沖擊作用下的加速度時程曲線及相應的加速度沖擊響應譜如圖4所示。著艦點位于B和C位置中點附近，其中C位置距離飛機著艦點稍近，其所受的沖擊作用更嚴重，其加速度最大值約為217g，沖擊響應譜中，對應1 068 Hz 頻譜的加速度譜值達1 443g。

圖3　艦載飛機降落與航母甲板作用過程(Von-mises應力云圖，單位Pa，時間單位：s)Fig.3　Impact process (Von-mises stress fringe plot, unit: Pa; time unit：s)

圖4　監測點的加速度時程曲線與加速度譜(工況1)Fig.4　Acceleration-time curves and acceleration　　　shock spectrums (simulation1)

3.2工況2

工況2的加速度時程曲線及相應的加速度沖擊響應譜如圖5所示。C位置靠近飛機著艦點，其所受的沖擊作用最嚴重，其加速度最大值達到1 365g，沖擊響應譜中，對應800 Hz頻率的加速度譜值達5 398 g。因而為保證導彈的安全存儲，必須設置緩沖減振裝置以減小導彈所受到的沖擊荷載。

圖5　監測點的加速度時程曲線與加速度譜(工況2)Fig.5　Acceleration-time curves and acceleration　　　shock spectrums (simulation2)

我國的設備沖擊環境標準GJB150主要引用美國的901系列標準，包括輕型和中型的沖擊機都仿照美國設計。對于輕型設備(美國標準定義為質量小于120 kg，我國國軍標GJB150-86規定為質量小于200 kg)最大譜加速度2 000g，3個方向的沖擊譜值相差不大。中型質量設備(120 kg

4沖擊強度衰減分析

為了研究飛機對飛行甲板的沖擊在航母內不同甲板層上產生響應的強度程度，對著艦點正下方各層甲板上的點進行監測，這些點從主甲板往下分別記為D1～D7。以工況1為例對沖擊強度的衰減規律進行分析，通過仿真得到各點的加速度譜的最大值，并對其規律進行擬合，如圖6所示。記加速度譜的最大值為Amax，各甲板監測點編號為Dx，對加速度譜值點數據進行擬合，得

(1)

由曲線可知，沖擊強度從主甲板往下開始衰減迅速，沖擊傳到到第2甲板時，已經衰減了30%，而后衰減漸趨于平緩。

圖6　沖擊強度衰減規律分析圖Fig.6　Analysis of the impact intensity attenuation

5結束語

本文針對大型航空母艦艦載飛機降落對航母的沖擊響應過程及對其內艦載導彈的沖擊環境問題，運用ANSYS/LS-DYNA軟件進行了數值仿真分析。建立了航空母艦的1：1有限元模型，該模型主要由殼單元和梁單元組成。研究了飛機在航母甲板上起降對甲板的沖擊響應過程，分析了航母內導彈貯存平臺位置處的沖擊環境并給出了加速度譜。結果表明：①建立的航母有限元模型適用于動力分析計算；②飛機降落會對甲板造成較大沖擊，著艦點附近產生較大應力；③主甲板上典型位置受到的沖擊加速度較大，為了導彈的貯存安全，導彈裝載平臺應設置緩沖減振裝置；④著艦點位置對監測點的沖擊環境影響顯著，因而對于導彈貯存平臺的位置應盡量遠離飛機著艦點；⑤沖擊強度從主甲板往下開始衰減迅速，而后衰減漸趨于平緩。

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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

中圖分類號：E925；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0230-06

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

通信地址：410073湖南長沙國防科技大學1號院理學院工程力學教研室 E-mail：128656288@qq.com

作者簡介：姚術健(1988-)，男，湖南新寧人。博士生，主要從事結構抗沖擊、抗爆炸分析與工程防護研究。

*收稿日期：2014-07-25；修回日期：2014-09-03