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高速應急離機時頭盔夜視鏡運動仿真分析

2017-02-28 09:17胡雪鵬李磊子
科技資訊 2016年29期

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(wěn)態(tài)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(tài)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(guān)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(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展,空戰(zhàn)環(huán)境日益復雜和惡化,夜間作戰(zhàn)由于具備突防性強和隱蔽性好等優(yōu)點,已經(jīng)成為一種重要的空戰(zhàn)形式。

配備夜視系統(tǒng)的頭盔對于空軍夜間作戰(zhàn)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(huán)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(zhàn)效能,減少飛行事故。

國內(nèi)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(fā)生干涉、夜視鏡支座結(jié)構(gòu)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(huán)境和方法

仿真使用NUMECA進行穩(wěn)態(tài)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(tài),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(zhì)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(tài),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(fā)生碰撞時的速度。

2 仿真工況

根據(jù)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?qū)ΨQ面,X方向由后向前,Y方向由下到上,Z方向根據(jù)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(shù)

夜視鏡初始質(zhì)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(shè)為1.0E-3,仿真時間從夜視鏡火藥燃爆時刻開始,設(shè)置傳感器判斷當夜視鏡與人體發(fā)生碰撞時仿真結(jié)束。

4 各工況仿真計算結(jié)果

4.1 夜視鏡軌跡計算結(jié)果

夜視鏡軌跡計算結(jié)果見表2。

4.2 氣動力計算結(jié)果

氣動力計算結(jié)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(jié)果

夜視鏡與人體相撞時的撞擊速度為1.5 m/s。

5 仿真結(jié)果分析及結(jié)論

5.1 仿真結(jié)果分析

夜視鏡在下落過程中進入高速氣流區(qū)域又離開高速氣流區(qū)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(jié)論

使用流固耦合方法計算高速復雜變化環(huán)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(wěn)態(tài)CFD相結(jié)合的方法近似地計算工程設(shè)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(shù)入門與提高[M].機械工業(yè)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.

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