仿真技術(shù)在裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗與評價中的應(yīng)用

陳典斌,柯宏發(fā),韓東霏

(1.解放軍航天工程大學,北京 101416;2.中國白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001)

仿真技術(shù)在裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗與評價中的應(yīng)用

陳典斌1,2,柯宏發(fā)1,韓東霏2

(1.解放軍航天工程大學,北京 101416;2.中國白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001)

通過分析裝備環(huán)境適應(yīng)性要求,闡述了環(huán)境對裝備的影響.利用評價方法研究其影響特征,基于多種常見環(huán)境試驗條件和相關(guān)理論數(shù)據(jù)建立了裝備環(huán)境適應(yīng)性模型并進行仿真計算.通過實例驗證分析合理,方法可行.提出針對裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗,開展評價機制建設(shè),形成貫穿始終的試驗管理體系,以充分考核裝備的環(huán)境適應(yīng)能力的理念.

仿真技術(shù);裝備;環(huán)境適應(yīng)性;評價

裝備是用于實施和保障軍事行動的武器、武器系統(tǒng)和軍事技術(shù)器材等的統(tǒng)稱,其故障或損壞多由環(huán)境因素導致.裝備使用地域高度分散,執(zhí)行任務(wù)多樣復雜,環(huán)境的巨大差別導致其配備裝備面臨各種極端條件的考驗和危害.在嚴酷自然環(huán)境作用下,裝備未損壞、能夠正常工作并維持在其壽命周期內(nèi)貯存、運輸和使用等狀態(tài)的能力就被稱為環(huán)境適應(yīng)性.環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)劣與裝備的先進性能息息相關(guān),其評價機制能夠?qū)ζ溥M行有效監(jiān)督和控制.裝備環(huán)境適應(yīng)性評價方法主要分為試驗評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析評價法、模糊綜合評估方法和環(huán)境適應(yīng)度評價法幾類.文中以試驗評價法為基礎(chǔ),針對裝備應(yīng)用地域及特點,將裝備置于高溫、低溫、淋雨、太陽輻射、鹽霧、砂塵、振動和低氣壓等試驗室模擬環(huán)境中進行考核,并與仿真試驗數(shù)據(jù)對比驗證,得到裝備經(jīng)受環(huán)境作用后的性能變化、功能影響的對比及數(shù)據(jù)預測結(jié)果,提出了考慮壽命預測的裝備環(huán)境適應(yīng)性評價方法.

1 環(huán)境影響

裝備作戰(zhàn)環(huán)境復雜多樣,其裝備適應(yīng)性面臨著地形、氣候、海情、電磁輻射等自然環(huán)境和電子戰(zhàn)、火力、核輻射、化學武器等作戰(zhàn)環(huán)境的共同作用.苛刻環(huán)境條件會對裝備內(nèi)部精密電子器件性能產(chǎn)生負面影響,適應(yīng)性較差的裝備不僅能使裝備結(jié)構(gòu)受到損壞、降低其作戰(zhàn)能力,嚴重的會導致任務(wù)的失效.為更精確的對裝備進行適應(yīng)性評估,保證裝備適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場條件,作戰(zhàn)環(huán)境試驗應(yīng)盡可能模擬自然模擬環(huán)境或在實戰(zhàn)條件下進行;裝備若不能夠滿足嚴苛環(huán)境條件下的使用要求,則可以發(fā)現(xiàn)其環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計缺陷,可反饋廠家以便其及時改進.

2 裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗與評價

裝備戰(zhàn)斗力與環(huán)境密切相關(guān),環(huán)境適應(yīng)性已成為檢驗裝備質(zhì)量的重要指標.在極端環(huán)境作用下,環(huán)境適應(yīng)性以裝備在其壽命周期內(nèi)產(chǎn)生損壞失效或有故障作為判斷條件,將其能否生存作為定性判據(jù),若不能運行但在故障排除后能夠正常工作則看為適應(yīng);而不能正常工作則看為不適應(yīng).裝備環(huán)境適應(yīng)性評價就是對裝備的應(yīng)用情況、物理性能和受損修復后能否正常運作進行評價,以決定其適應(yīng)性的合格與否,裝備環(huán)境適應(yīng)性不合格則不能投入使用.與器材類裝備不同,包含或由精密部件、特殊材料等構(gòu)成的復雜裝備的適應(yīng)性主要受戰(zhàn)場環(huán)境和儲存環(huán)境影響,因材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點與使用頻率等原因,該類裝備在進行模擬環(huán)境試驗時的評價將更為復雜.國內(nèi)常用試驗評價法即利用多年來收集的自然環(huán)境試驗、實驗室環(huán)境試驗、部隊試驗數(shù)據(jù)和長期監(jiān)測來進行評估,這些方法雖然被大量應(yīng)用,但仍存在試驗周期長、成本高、環(huán)境試驗項目選擇上存在盲目性、數(shù)據(jù)不夠精準、難以對裝備使用壽命及其可靠性進行預測和分析的嚴重隱患;而仿真建模可大幅縮短試驗周期、提高工作效率和降低未知風險,并提供基于理論基礎(chǔ)的科學評價機制,美國已將其廣泛應(yīng)用在武器裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗與評價機制中.因此,可以采用仿真試驗與常用試驗評價法結(jié)合的方法進行評判,將歷史數(shù)據(jù)與模擬分析得到的數(shù)據(jù)進行比對,以提高試驗與評價結(jié)果的準確性和工作效率.

3 仿真技術(shù)在裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗中的應(yīng)用實例

仿真技術(shù)主要是通過計算機軟件繪制結(jié)構(gòu)、設(shè)置實際試驗狀態(tài)相關(guān)參數(shù)、再通過數(shù)值計算進行多條件、多狀態(tài)下分析.這種高科技的試驗方法已廣泛應(yīng)用于國外的軍隊裝備設(shè)計、研究和模擬環(huán)境試驗中.該項技術(shù)研究一般以實戰(zhàn)需求為基礎(chǔ),最終目的是建立完善、統(tǒng)一的試驗信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),以增加環(huán)境適應(yīng)研究的深度和廣度.因此,可以針對各類裝備性能狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特點與所處環(huán)境類型,基于自然環(huán)境對裝備的影響程度建立相關(guān)仿真模型,對其適應(yīng)性進行分析、預測和判斷.

3.1 溫度

溫度對裝備的影響很大,過高或過低及保溫時間過長都會引起部件發(fā)生損壞、接觸、密封、故障、失效等問題.如何提前準確判定溫度穩(wěn)定時間的長短,避免過保溫或欠保溫的情況,成為了裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗合格與否的重中之重.

針對復雜結(jié)構(gòu)方艙進行建模,從數(shù)值計算基礎(chǔ)上進行了高溫溫度場數(shù)值分析,復雜結(jié)構(gòu)方艙所有線路板測點加載30℃時,3.33h溫度平衡;加載60℃時,6.5h達到平衡;整體結(jié)構(gòu)加載30℃時,18.8h溫度平衡,加載60℃時為28h;以圓柱形裝藥件(圖1)為例,進行低溫傳熱分析,裝藥件-55℃低溫試驗,試件溫度穩(wěn)定時間為23.8h.仿真研究若與實際試驗相結(jié)合,可針對武器裝備重點考察部位,在試驗前與主持單位及廠家進行曲線合理性分析,為部分與整體溫度平衡時間值的確定提供理論數(shù)據(jù).

圖1 裝藥件結(jié)構(gòu)

3.2 太陽輻射

太陽輻射作用會使裝備材料老化、引發(fā)絕緣和密封失效問題,其表面溫度場分布是試驗重要指標.以火炮為例,身管表面溫度場分布可判定其彎曲變形程度,更決定首發(fā)命中率.本文在某型火炮身管上選取橫向2個、縱向15個測量點(圖2)進行分析,從圖中可知,同一截面上各點溫度值呈非線性分布,其幅值與輻照強度成線性遞增關(guān)系.

3.3 積冰/凍雨

積冰/凍雨極端天氣會造成武器裝備性能降低或失效,影響工作人員安全,削弱裝備野外生存能力和部隊戰(zhàn)斗力.選擇環(huán)境平均溫度-7.0℃、持續(xù)時間30min、雨強4.4cm/h、水溫1.5℃和水滴直徑0.5～0.7mm之間的實際條件,在2.5m高度對其進行噴淋,得到不同材料表面積冰厚度試驗驗證數(shù)據(jù);以鋁板、硬鉻板和不銹鋼板為例,進行了仿真分析,并將模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行比對,驗證了模擬分析的可行性(圖3).

圖2 身管溫度曲線

圖3 試驗驗證數(shù)據(jù)

3.4 砂塵

砂塵顆粒高速進入裝備內(nèi)部會造成精密元器件磨損腐蝕,導致電器產(chǎn)品接觸不良、打火困難、油/氣路堵塞等現(xiàn)象.以某型裝備側(cè)壁為研究對象(圖4),人工制造腐蝕坑,通過FSM法分析監(jiān)測區(qū)域,用電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型公式計算坑蝕剩余厚度,有限元分析和實驗結(jié)果一致.

3.5 振動

圖4 模型及計算結(jié)果

運輸或使用過程中的機械振動會使裝備發(fā)生斷裂、內(nèi)部元器件產(chǎn)生引線和結(jié)構(gòu)損傷等現(xiàn)象.以某型彈藥箱為例,數(shù)值模擬求解其固有頻率和振型,可為炮彈箱的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù),為振動試驗提供了理論驗證基礎(chǔ).

3.6 鹽霧

裝備在沿海等鹽霧作用較強的地方使用會產(chǎn)生腐蝕缺陷,昂貴的造價使我們不可能因為表面損壞或者其內(nèi)部出現(xiàn)機械卡死、堵塞、損壞等使整體性能下降的現(xiàn)象或故障就停止使用,故對其進行剩余壽命預測與結(jié)構(gòu)可靠性分析是非常必要的.以某試驗管道為例,利用VB和MATLAB系統(tǒng)編程,以灰色理論GM(1,1)模型為基礎(chǔ),結(jié)合ASME B31G標準,建立腐蝕管道可靠性模型;分析其剩余壽命并計算結(jié)構(gòu)可靠度,用實例驗證了計算結(jié)果合理,如圖5所示.

圖5 分析計算結(jié)果

4 結(jié)語

裝備環(huán)境適應(yīng)性的傳統(tǒng)研究方法是其研制、配發(fā)和改進的基本依據(jù);仿真建模是進行試驗預測、科學評價的理論基礎(chǔ).文中對典型環(huán)境進行模擬仿真,并將仿真結(jié)果與實際試驗數(shù)據(jù)進行分析比對,驗證了其準確性.兩者的結(jié)合完善了裝備全壽命周期環(huán)境試驗的機制,為研究環(huán)境因素對裝備的影響機理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

在后續(xù)裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗中,開展大量仿真分析研究,可對裝備建立可調(diào)整結(jié)構(gòu)有限元模型,在試驗前與主持單位及廠家進行環(huán)境試驗項目確定、試驗曲線合理性分析;結(jié)合其適應(yīng)性問題,根據(jù)裝備服役環(huán)境條件,利用數(shù)學方法確定影響裝備失效的主要因素,根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計環(huán)境試驗來對裝備進行考核,可得到其理論環(huán)境適應(yīng)性參數(shù).這些環(huán)境試驗理論數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的收集,可以科學指導環(huán)境試驗、優(yōu)化試驗程序設(shè)計、提升人員分析評價水平,也可以對復雜作戰(zhàn)環(huán)境中的裝備進行剩余壽命預測、應(yīng)用可靠性分析等,對提高裝備環(huán)境試驗合理性和戰(zhàn)場實用性具有很好地指導意義.

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