某機載光電設備窗口玻璃鳥撞仿真分析

溫慶榮,蔡 榮,魏夢琦,劉宏旭,胡建飛

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

某機載光電設備的光學系統包括了紅外和激光兩個波段,可實現對作戰目標的觀察、跟蹤、瞄準和測距。為了適應機載的工作環境,同時滿足激光和紅外兩個波段的光學高透過率需求,該設備采用ZnS作為窗口玻璃實現對內部精密光機的保護。根據動量定理,一只0.45 kg的鳥與時速960 km的飛機相撞,會產生216 kN的力,高速運動使得鳥撞的破壞力達到驚人的程度,并且根統計80 %鳥撞事故是發生在飛機起飛、爬升和進近、著陸階段,因此有必要針對載機在起降的低空高速工作狀況下,對窗口玻璃進行力學仿真分析,明確窗口玻璃的鳥撞耐受性能[1-2],確保設備的安全性能。

鳥撞是發生在毫秒量級的非線性沖擊動力學問題,且高速動態下的碰撞無法用準靜態彈塑性力學進行分析,其復雜性和特殊性主要表現有兩點:(1)ZnS屬于特殊的脆性材料,在高應變速率下會明顯改變結構材料的本構關系,它不僅提高了材料的瞬時極限強度,而且也提高了材料的屈服應力,擴大了彈性范圍,并使材料脆化；(2)鳥撞產生的慣性效應導致撞擊載荷所產生的結構內力以應力波形式傳播,撞擊所產生壓應力波在結構中傳播以及到達結構自由界面后的反射波可能導致與靜力學完全不同的結構破壞形式。

為此,本文首先通過試驗分析了ZnS玻璃在準靜態和高速動態下的力學性能參數,在此基礎上建立了鳥體模型,網格劃分后通過動力學仿真軟件對光機模型進行了分析,從鳥體質量和速度兩個維度全面評價玻璃的損傷情況,得出其鳥撞耐受性。

2 ZnS玻璃的力學試驗。

為了更接近真實工況,本文選取該機載光電設備上實際裝配的ZnS玻璃樣件為試驗對象,通過準靜態和中高應變率下的壓縮試驗,測出其極限應變和極限應力[3-4]。結果如表1所示。

表1 樣件的力學參數計算結果Tab.1 The mechanics parameter of glasssample from calculating

3 仿真參數的分析及選取

隨著飛機飛行高度和速度的不同,鳥體和飛機之間發生撞擊的過程持續時間大約在毫秒級,撞擊過程非常復雜,平均鳥撞力的經驗公式如式(1)所示:

(1)

式中,Fav為平均鳥撞力；m為鳥質量；V為鳥體與飛機的相對速度；θ為速度與撞擊面法線的夾角。

由于窗口玻璃和骨架的力學參數及三維模型已經通過試驗和三維軟件獲得,因此本文根據載機的實際作戰環境和作戰需求,針對鳥體模型、撞擊速度和撞擊角度分別進行分析,進而確定仿真分析中的參數。

3.1 鳥體模型的選取及分析

我國是鳥類資源豐富的國家,有已知鳥類1329種,其中候鳥565種。在航空器鳥擊報告中,雀形目鳥是次數最多的,占35 %；其次是鷗類,占24 %；猛禽類占12 %；鴿子和家鴿占11 %；水鳥占8 %。因此,結合機載設備使用環境的需求,綜合考慮國內外相關鳥撞標準和規范,本文選取了四種鳥類的重量,分別是1500 g、500 g、70 g和45 g,在此基礎上進行仿真模型的建立。

3.2 碰撞速度的選取及分析

通過查找文獻資料可知,國外現有一些戰機的起降速度各不相同,如美國海軍規定艦載機的起降速度分別為278 km/h和260 km/h,陣風戰斗機輕載下起降速度為213 km/h,通用動力的F-16戰斗機起降速度是407 km/h。

目前國內有關飛機風擋、雷達罩等結構件的鳥撞試驗和仿真研究中,選用的鳥撞工況,鳥撞速度多采用500 km/h。

由于不同的鳥體重量在相同的速度下對玻璃的撞擊程度是不一樣的,因此結合上述分析,綜合考慮現有載機的工作環境和任務,本文針對不同的鳥體重量采取的分析速度也不盡相同。其中,45 g和70 g兩種鳥體的撞擊更多關注玻璃的應力變化,以此評價玻璃光學性能的損傷；而500 g和1500 g的鳥體撞擊則關注于玻璃是否發生破壞,以此評價對飛機整體安全性能的影響。本文對45 g和70 g的鳥體選取213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度分析,而對500 g和1500 g的鳥體則更關注玻璃臨界破壞的速度。

3.3 撞擊角度的選取

本文涉及的載機起飛時仰角一般在0～45°之間,而載機上的光電設備為了隱身需要采取了多棱面的玻璃拼接外形,沿著航線方向的玻璃夾角很小,因此綜合考慮,鳥體與玻璃的撞擊角度按照載機水平方向考慮。

4 鳥體模型的建立

鳥體建模包括SPH法、ALE法和拉格朗日法等。拉格朗日法計算當中需要刪除單元,否則單元畸變嚴重,導致計算被迫中止,計算難以保證精度。在高速碰撞情況下,SPH單元計算方法快速而且準確,目前常被用于鳥撞的模擬[5-6]。

本模型鳥體為SPH單元,由點粒子構成。SPH單元的粒子數量要根據粒子間距來決定,粒子的間距要與被撞的玻璃網格尺寸匹配,二者的尺寸大小應大約相等[7-8]。

4.1 鳥體模型的狀態方程

當前仿真中應用于鳥體模型的狀態方程有Gruneisen狀態方程和Mornaghan狀態方程,Mornaghan狀態方程參數少而Gruneisen狀態方程需要的參數較多。兩種狀態方程的詳細介紹如下:

(1)Gruneisen狀態方程

Gruneisen狀態方程描述鳥體的壓力和變形的關系,如式(2)所式:

(2)

式中:C表示聲音在鳥體中的傳播速度;p表示鳥體內壓,計算參數;E初始單位體積的內能,軟件自動計算;γ為Gruneisen參數,0.5a為γ的一階修正系數,默認值;S表示波速-固體速度曲線各階斜率,默認值。各參數取值如表2所示。

表2 模型參數Tab.2 Model parameter

(2)Mornaghan狀態方程

Mornaghan狀態方程描述鳥體的壓力和變形的關系,如式(3)所式:

(3)

k0和γ是材料常數,采用的模型參數:

k0=128×106,γ=7.98

對兩個模型均進行了仿真,計算結果非常接近,幾乎沒有什么差異,本文最終采取了能夠準確獲得其參數的Gruneisen狀態方程。

4.2 鳥體模型材料和屬性

(1)鳥體材料

鳥體材料選擇MATL_NULL,鳥體的密度為950 kg/mm3。

(2)鳥體屬性

鳥體屬性選擇SECTION_SPH。

屬性參數根據dyna手冊選擇:

CSLH(Constant Smoothing Length of Particles)=1.2

HMIN=0.2

HMAX=2

4.3 鳥體形狀及尺寸

(1)鳥體形狀

仿真中用到的鳥體形狀有圓柱體形、子彈形狀、膠囊形狀、圓球形狀等,然而仿真中鳥體的具體形狀沒有準確的規定,一般根據實際的試驗驗證的鳥體形狀來確定仿真中鳥體的形狀。這里采用了仿真中使用最多、形狀跟真實試驗中鳥體較為接近的膠囊形狀(兩頭為圓球形的柱體形狀)。

(2)鳥體尺寸

鳥體的尺寸需要根據其質量和密度計算得出,密度已選為950 kg/mm3,則影響鳥體尺寸的因素為質量。由于3.1中已經針對仿真中涉及的鳥體模型進行了規定,即1500 g、500 g、70 g和45 g共4種,根據GJB2464-95(飛機玻璃抗鳥撞試驗方法)中的要求,通過質量可以按照公式(4)和(5)進行尺寸的計算。

L=17.44m

(4)

D=0.5×17.44m

(5)

式中:L為鳥彈長度,cm；D為鳥彈直徑,cm；m為鳥彈質量,kg。其中,鳥體柱體模型的長徑比為2∶1。經查閱文獻根據大多數鳥撞的研究情況采用膠囊型鳥體。如圖1是建立的幾個不同質量的鳥體模型。

圖1 幾種不同質量的鳥體模型Fig.1 Several bird model with different weight

5 光學窗口的鳥撞沖擊仿真分析

鳥撞沖擊的仿真過程采用相對運動的原理,即光學窗口與其骨架固定不動,給鳥體賦予一定的速度去撞擊光窗。鳥體的撞擊方向與骨架安裝面平行,即水平撞擊。玻璃與鳥體的接觸采用

ERODING_NODES_TO_SURFACE接觸,由于玻璃表面光滑,其摩擦系數設為0.1。針對不同重量的鳥體,本文進行了不同速度的仿真分析,以達到不同的評價效果。

5.1 45 g鳥體撞擊仿真分析

針對45 g鳥體的仿真,本文選取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度,結果如圖2～圖5所示。

圖2 213 km/h時的應力和變形云圖Fig.2 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 213 km/h

圖3 260 km/h時的應力和變形云圖Fig.3 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 260 km/h

圖4 407 km/h時的應力和變形云圖Fig.4 The stress and distortion nephogramwith 45g bird strike at 407 km/h

圖5 500 km/h時應力云圖(玻璃穿透)Fig.5 The stress nephogram with 45g birdstrike at 500 km/h(the glass is broken)

5.2 70g鳥體撞擊仿真分析

針對70 g鳥體的仿真,本文選取了213 km/h、260 km/h、407 km/h、500 km/h共4種速度,結果如圖6～圖9所示。

圖6 213 km/h時的應力和變形云圖Fig.6 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 213 km/h

圖7 260 km/h時的應力和變形云圖Fig.7 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 260 km/h

圖8 407km/h時的應力和變形云圖Fig.8 The stress and distortion nephogramwith 70g bird strike at 407km/h

圖9 500km/h時的應力云圖(玻璃穿透)Fig.9 The stress nephogram with 70g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.3 500 g鳥體撞擊仿真分析

針對500 g鳥體的仿真,本文著重分析其臨界破壞速度,結果如圖10～圖12所示。

圖10 150 km/h時的應力和變形云圖Fig 10 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 150 km/h

圖11 160 km/h時的應力和變形云圖Fig.11 The stress and distortion nephogramwith 500 g bird strike at 160km/h

圖12 180 km/h時的應力云圖(玻璃穿透)Fig.12 The stress nephogram with 500 g birdstrike at 500 km/h(glass is broken)

5.4 1500g鳥體撞擊仿真分析

針對1500g鳥體的仿真,本文著重分析其臨界破壞速度,結果如圖13～圖15所示。

圖13 70 km/h時的應力和變形云圖Fig 13 The stress and distortion nephogramwith 1500g bird strike at 70 km/h

圖14 100 km/h時的應力和變形云圖Fig.14 The stress and distortion nephogramwith 1500 g bird strike at 100 km/h

圖15 120 km/h時的應力云圖(玻璃穿透)Fig 15 The stress nephogram with 1500 gbird strike at 120 km/h(glass is broken)

5.5 分析結果

從上述分析結果可知,對于45 g和70 g的鳥體而言,速度小于500 km/h時的幾個典型載機工況下,玻璃并未發生穿透,其應力應變也在玻璃的安全允許范圍內,玻璃的臨界破壞速度在500 km/h左右；對于500 g的鳥體,通過逼近法可知,速度小于180 km/h時,玻璃不會發生穿透,其應力應變也在玻璃的安全允許范圍內,玻璃的臨界破壞速度在180 km/h左右；對于1500 g的鳥體,通過逼近法可知,速度小于120 km/h時,玻璃不會發生穿透,其應力應變也在玻璃的安全允許范圍內,玻璃的臨界破壞速度在120 km/h左右。

6 結 論

本文以某機載光電設備的窗口玻璃在不同速度下的鳥撞耐受性為研究內容,通過動力學仿真軟件建立物理模型,進行網格劃分后展開鳥撞的仿真分析,從中得出玻璃在幾個典型鳥體撞擊下的破壞速度。本文的研究成果可以指導窗口玻璃的光機設計,并為該載機在其典型工況下提供定量的鳥撞耐受性。在此基礎上,可以開展針對原理實物樣機的鳥體撞擊試驗,通過其數據對仿真過程進行修正,提高仿真分析的擬合度,最終達到提升此類機載設備的工程化設計能力。