高速應急離機時頭盔夜視鏡運動仿真分析

胡雪鵬++李磊子

摘 要：該文通過對高速彈射時夜視鏡分離后的運動過程進行仿真分析，使用穩態CFD、多體運動仿真迭代方法，對夜視鏡分離后的運動軌跡、姿態和速度進行仿真，研究在高速氣流吹襲下夜視鏡是否會對人體造成傷害。

關鍵詞：夜視鏡 多體運動 CFD

中圖分類號：V223.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（b）-0001-02

隨著現代軍事技術的發展，空戰環境日益復雜和惡化，夜間作戰由于具備突防性強和隱蔽性好等優點，已經成為一種重要的空戰形式。

配備夜視系統的頭盔對于空軍夜間作戰具有重要的意義，除具備一般頭盔的功能外，還能夠顯示微光條件下的環境圖像，增強飛行員夜間觀察和目標搜索能力，提高武器作戰效能，減少飛行事故。

國內某型殲擊機需要增加夜視鏡，但由于夜視鏡可能與護目鏡發生干涉、夜視鏡支座結構強度無法滿足高速應急離機時的強度要求等原因，夜視鏡必須在應急離機前分離，而夜視鏡下落正好處于艙蓋開啟過程中，高速氣流會作用在夜視鏡上，因此需對高速應急離機時夜視鏡可能造成的傷害進行分析。

1 仿真說明

1.1 仿真類型

由于夜視鏡下落既要考慮夜視鏡的運動，又要在運動中考慮其受到的氣動力，是典型的流固耦合問題，求解較為困難，所以對于工程問題，可以嘗試工程上能夠接受的近似解決方法。

1.2 仿真環境和方法

仿真使用NUMECA進行穩態CFD仿真計算，使用Adams進行多體運動仿真計算。具體計算步驟為：采用Adams進行動力學計算，得到第一個計算工況下夜視鏡的軌跡和姿態，將計算得到的夜視鏡模型和相對應的艙蓋模型導入氣動仿真軟件NUMECA中進行氣動力計算，得到夜視鏡第一個計算工況下質心處受到的氣動力和氣動力矩；再將計算得到的氣動力和氣動力矩代入Adams中，作用在夜視鏡上得到第二個計算工況下夜視鏡的軌跡和姿態，重復上述步驟，對計算的氣動力進行插值，得到夜視鏡與人體發生碰撞時的速度。

2 仿真工況

根據工程需要，該次仿真計算速度為1 300 km/h，以夜視鏡開始運動為時間零點，對六個計算工況進行CFD計算，見表1。

3 仿真過程

該次仿真坐標原點定義在頭盔重心，位于縱向對稱面，X方向由后向前，Y方向由下到上，Z方向根據右手定則確定。

3.1 仿真建模

夜視鏡通過solidworks軟件導出x_t文件，導入Adams中。

3.2 仿真初始參數

夜視鏡初始質心坐標為X=153 mm，Y=36 mm，Z=0 mm；夜視鏡受到火藥燃爆作用，初始速度為1 m/s，方向斜向下45°，角速度為720°/s。夜視鏡受到重力和氣動力作用。

3.3 運行仿真

該次仿真使用插值方法求解微分方程，分析精度設為1.0E-3，仿真時間從夜視鏡火藥燃爆時刻開始，設置傳感器判斷當夜視鏡與人體發生碰撞時仿真結束。

4 各工況仿真計算結果

4.1 夜視鏡軌跡計算結果

夜視鏡軌跡計算結果見表2。

4.2 氣動力計算結果

氣動力計算結果見表3。表中Fx、Fy、Fz分別代表X方向、Y方向、Z方向的作用力。

氣流速度矢量圖見圖1。

4.3 碰撞速度計算結果

夜視鏡與人體相撞時的撞擊速度為1.5 m/s。

5 仿真結果分析及結論

5.1 仿真結果分析

夜視鏡在下落過程中進入高速氣流區域又離開高速氣流區域，高速氣流吹襲對夜視鏡作用時間短，對夜視鏡的運動影響不大，夜視鏡與人體的撞擊速度較低，不會對人體造成傷害。

5.2 仿真結論

使用流固耦合方法計算高速復雜變化環境下物體的運動具有非常大的難度，對計算機硬件要求高，計算周期長。應用多體動力學分析和穩態CFD相結合的方法近似地計算工程設計中物體的運動情況，工作量小、時間周期短，有一定的工程應用意義。

參考文獻

[1] 鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].機械工業出版社，2002.

[2] 王福軍.計算流體力學動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.