虛擬振動技術在防空導彈研制中的應用

段宇霆

摘要：在防空導彈研制階段，準確預示導彈在使用環境條件下的振動響應對評估、考核彈體結構及彈載設備的抗振性能和使用性能有重要意義。本文開展基于虛擬樣機的全彈虛擬振動技術研究，在設計階段利用有限元仿真技術來模擬導彈在使用環境條件下的振動;依據虛擬振動數據為導彈進行優化設計提供支撐，避免導彈因振動問題帶來的研制風險，提高導彈研制效率。

關鍵詞：防空導彈;虛擬振動;有限元仿真計算;

1 前沿

長期以來，防空導彈往往通過振動試驗、沖擊試驗、加速度試驗、顛震試驗、跌落試驗等地面力學環境試驗來模擬相應的振動、沖擊、加速度、跌落、顛震等環境條件，對導彈的部、組件和分系統，直到全系統進行性能試驗，以此來考核/評估導彈的使用性能和參數。然而，導彈振動試驗等地面力學環境試驗往往在導彈研制末期進行，其準備周期長，且都在導彈完成總裝測試之后才能開展，一旦發現問題往往嚴重影響項目研制進度，甚至導致項目停滯或擱淺。同時，由于試驗條件的限制，地面力學環境試驗一般難以完全模擬導彈在飛行過程中的環境條件。因此，亟需在設計階段通過仿真分析手段來發現導彈振動問題并加以解決，通過更貼近實際使用環境的仿真分析對地面力學試驗進行有效、合理的補充。

本文針對導彈在研制中對虛擬振動分析的迫切需求，開展基于虛擬樣機的全彈虛擬振動相關技術研究，分析導彈結構及設備安裝情況，建立導彈全彈結構動力學虛擬仿真樣機，在仿真環境下進行導彈各類力學使用環境（振動、沖擊等）條件下的響應分析，為導彈的研制和設計提供參考。

2 虛擬振動分析在導彈研制中的作用及意義

防空導彈的研制流程如圖1所示，開展虛擬振動分析，借助仿真手段，有助于工程設計人員在導彈設計階段就發現并解決導彈自身結構中潛藏的隱患，避免在試驗階段出現問題從而影響整個研制過程的進度。

圖1 ?導彈研制流程圖

2.1 減少設計迭代，降低研制風險

防空導彈的研制通常經歷“武器系統設計—零部件生產—總裝總調—地面測試及試驗—飛行試驗”等過程。導彈的地面力學環境試驗往往在導彈總裝完成后才能開展，試驗中發現、暴露的問題必須通過開展相關設計改進、返修等工作加以解決，費時費力。如果在導彈設計階段就能夠并行進行導彈振動、沖擊等力學環境試驗仿真并發現相關的問題，則能夠及時進行設計改進，從而避免大的反復，降低研制風險，提高研制進度。

2.2 預試驗仿真，指導保障地面力學環境試驗

在開展振動試驗等力學環境試驗之前，利用仿真技術完成相關的預試驗分析具有應用價值，不僅能幫助試驗設計人員預先了解受試產品在試驗中的響應特性，而且也能使試驗設計人員對所選用的試驗設備、儀器和試驗工裝是否能夠承擔完成這種試驗條件下的振動試驗，以及對振動控制點的選擇、試驗參數設置的合理性做到心中有數。

2.3 突破試驗條件限制，更完整的模擬使用環境

受目前試驗條件及方法的限制，導彈的地面力學環境試驗往往不能完全模擬導彈的真實使用環境。比如：當前振動試驗只能提出全彈的功率譜密度，而各個艙段的功率譜則只能通過飛行試驗收集相關數據后經歸納整理得出;振動試驗難以在三個方向（X、Y、Z）同時進行，導彈各位置點尤其是導彈內部的振動響應數據難以完整獲取;同時，實際的振動試驗結果中往往存在某些艙段（特別是頭部）振動量級過大，振動環境設置不合理等問題。而虛擬振動仿真不受試驗條件及方法的限制，在仿真環境中能夠有效避免上述問題，為各分系統的設計提供一定的參考依據，是振動試驗等力學環境試驗的有效、合理補充。

3 基于虛擬樣機的導彈虛擬振動技術研究

虛擬振動在防空導彈研制中的實現可以概括為：

導彈虛擬振動結構建模及修正：完成對導彈全彈、彈上相關設備以及振動激勵設備等的精細化有限元建模;以試驗數據為依據進行虛擬樣機模型修正，提升虛擬樣機置信度;

導彈虛擬振動仿真：通過有限元仿真軟件，模擬導彈在使用環境條件（振動、沖擊、加速度等）下的各種響應;根據虛擬振動數據對導彈進行相應的優化設計。

3.1 高置信度虛擬樣機的構建及修正

在研究中，全彈結構虛擬樣機的構建十分重要。虛擬樣機構建的精細與否，直接關系到仿真分析結果的精確性以及可信度。由于分析過程中存在眾多的不確定因素以及建模中引入了多種假設，比如邊界條件的誤差，物理參數的誤差，結構連接條件的失真，局部或整體的非線性等，使得有限元分析模型預示結果與實際結構的動力學特性之間必然存在誤差。為了盡量消除因建模參數不準確造成的動力學特性預示的偏差，往往采用模態試驗實測數據對初始有限元模型及相關邊界條件進行修正和完善，從而得到高置信度的全彈結構虛擬樣機。高置信度虛擬結構樣機構建過程如圖2所示。

圖2 ?高置信度虛擬結構樣機構建過程示意

3.2 虛擬振動仿真及預試驗分析

在完成導彈結構虛擬樣機的模擬仿真之后，開展振動試驗等力學環境試驗之前，需通過預試驗分析，利用仿真技術預先了解導彈在試驗中的響應特性。例如根據仿真結果，獲取導彈前幾階彎曲頻率、振型節點等模態參數，為正式試驗確定合適的頻率范圍和試驗參考點;根據導彈在輸入激勵作用下的輸出響應幅值，選定所需傳感器類型和個數。

預試驗分析的正確性，直接關系到試驗設計人員對導彈在試驗中相關問題的判斷和解決。

4 結論

本文通過分析振動試驗、沖擊試驗等地面力學環境試驗在當前防空導彈研制過程中的局限性和不足，表明了虛擬振動仿真在防空導彈研制過程中的需求和迫切性，并闡述虛擬振動在導彈研制過程中的具體實現過程和相關方法，能夠避免導彈因振動問題帶來的研制風險，提高導彈的研制效率。

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