牛青坡,劉建新,高 寵

(中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽 471009)

在引信仿真應(yīng)用研究中，目標(biāo)模型是引信與目標(biāo)虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象。目標(biāo)模型建立是否準(zhǔn)確與合理[1]，對(duì)引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響。特別是第四代戰(zhàn)斗機(jī)廣泛采用外形隱身和材料隱身技術(shù)，使得目標(biāo)的精細(xì)化建模成為影響仿真結(jié)果置信度的重要因素。

國外尤其是美國特別重視目標(biāo)幾何建模在目標(biāo)及環(huán)境特性研究中的作用，資助了自動(dòng)化建模項(xiàng)目，開發(fā)了二維數(shù)字圖像到三維建模的轉(zhuǎn)換工具。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的校核驗(yàn)證和不斷持續(xù)改進(jìn)和完善，最后形成了大批具有高置信度的模型軟件，例如電磁高頻散射近似軟件Xpatch多目標(biāo)散射復(fù)合軟件CrossFlux等。

國內(nèi)高校和科研院所也對(duì)目標(biāo)幾何建模進(jìn)行了深入研究[2]，但自動(dòng)化水平和效率與國外相比還有一定差距。本文針對(duì)引信仿真目標(biāo)建模的應(yīng)用需求，基于Pro ENGINEER(簡(jiǎn)寫為Pro/E)軟件，通過目標(biāo)三視圖提取目標(biāo)表面特征信息，進(jìn)行目標(biāo)三維重建，使用FEM分析模塊建立了自適應(yīng)剖分的網(wǎng)格模型?；诿嬖ㄋ枷耄梦锢砉鈱W(xué)法和改進(jìn)等效電磁流(MEC)[3]計(jì)算了其近場(chǎng)散射特性。

1 引信仿真對(duì)目標(biāo)建模的需求

引戰(zhàn)系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈的重要組成部分，決定著對(duì)目標(biāo)的毀傷效果，其對(duì)付的目標(biāo)類型存在多樣性和復(fù)雜性，包含殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、巡航導(dǎo)彈、直升機(jī)和無人機(jī)等各種機(jī)型，目標(biāo)尺寸從一米左右的小型無人機(jī)到幾十米的戰(zhàn)略轟炸機(jī)和無人機(jī)；引戰(zhàn)系統(tǒng)需要對(duì)各種目標(biāo)的散射特性、對(duì)目標(biāo)的啟動(dòng)特性、引戰(zhàn)配合、毀傷效果，以及對(duì)干擾的抑制效果進(jìn)行大量仿真，這就需要建立精細(xì)化的目標(biāo)模型。

引信仿真[4]研究引信、戰(zhàn)斗部、目標(biāo)及環(huán)境之間的相互作用問題。它能夠模擬導(dǎo)彈末端各種交會(huì)條件下引信對(duì)目標(biāo)作用，通過對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行剖分形成小面元(三角形或四邊形)，綜合物理光學(xué)法和等效電磁流法，可得到目標(biāo)的近場(chǎng)RCS并計(jì)算引信接收目標(biāo)反射信號(hào)的變化及引信的響應(yīng)，做出對(duì)引信啟動(dòng)特性和戰(zhàn)斗部毀傷效果的綜合評(píng)價(jià)。

引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真需要建立目標(biāo)的三維實(shí)體模型。一方面,第四代戰(zhàn)斗機(jī)采用翼身融合設(shè)計(jì)等技術(shù)，使得采用簡(jiǎn)單的平面、柱面、球面、橢球面近似組合構(gòu)建的目標(biāo)模型逼真度不高；另一方面，戰(zhàn)斗機(jī)采用大量復(fù)合材料，其吸波和透波性能與金屬材料區(qū)別很大，需要賦予目標(biāo)不同部件不同的電磁散射屬性。

無線電引信和激光引信都是近程探測(cè)裝置，相比于遠(yuǎn)程雷達(dá)，目標(biāo)不能看作點(diǎn)目標(biāo)，而屬于體目標(biāo)，同時(shí)存在局部照射情況。建立的目標(biāo)模型能夠根據(jù)目標(biāo)的外形、材料等信息計(jì)算目標(biāo)在引信工作頻率的，各種交會(huì)條件下的近場(chǎng)RCS。

此外，引信仿真應(yīng)用中，對(duì)于面元大小，一般要求以小面元代替原始曲面所造成的拱高誤差應(yīng)小于引信波長的1/16，或者面元邊長尺寸小于波長1/3。為了對(duì)付隱身目標(biāo)和提高抗干擾能力，引信探測(cè)裝置向毫米波和納秒激光脈沖方向發(fā)展，仿真波長的減小使得仿真計(jì)算對(duì)網(wǎng)格面元的曲率變得敏感。因此，需要進(jìn)行目標(biāo)的精細(xì)化建模，提高仿真結(jié)果的置信度。

2 基于Pro/E的目標(biāo)建模

在對(duì)目標(biāo)特性建模中，需要對(duì)目標(biāo)幾何模型進(jìn)行大量的編輯和處理，包括從已有2D數(shù)字圖像到3D模型的生成、模型的實(shí)體化和網(wǎng)格化、幾何模型的修復(fù)和校驗(yàn)等。

雖然國內(nèi)的目標(biāo)建模技術(shù)與國外還存在一定差距，但計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的發(fā)展，使得精確描述復(fù)雜外形目標(biāo)體幾何模型得以實(shí)現(xiàn)。

2.1 Pro ENGINEER

早期的目標(biāo)建模采用對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體(球、橢球、圓柱、錐體等)進(jìn)行精確數(shù)學(xué)描述，然后采用組合的方式建立模型，后來基于autoCAD的三維軟件制作DXF等模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組?，F(xiàn)在Pro/E、UG以及CITIA軟件等三維建模軟件都含有NURBS方法[5]，并在航空航天、造船與汽車等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，可以應(yīng)用于目標(biāo)建模領(lǐng)域。其中，Pro/E軟件[6]在目標(biāo)幾何建模方面具有較大優(yōu)勢(shì)，它是一個(gè)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體建模工具，特別是在曲面生成方面，可以方便地生成基于曲面邊界的混合自由曲面，這使目標(biāo)的建模和模型的修改十分方便。Pro/E還可進(jìn)行有限元分析(FEM)及后處理，這種工具可以用于目標(biāo)的表面元自動(dòng)劃分，可根據(jù)仿真需求自動(dòng)調(diào)整面元大小，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得目標(biāo)表面不同粒度的網(wǎng)格劃分也十分方便。

基于Pro/E軟件可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化建模。首先，基于目標(biāo)三視圖和照片等先驗(yàn)信息進(jìn)行目標(biāo)的特征提??；其次，使用Pro/E軟件參數(shù)化建模軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)快速建模，形成實(shí)體模型；然后，對(duì)實(shí)體模型目標(biāo)表面進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行表面自動(dòng)網(wǎng)格劃分；最后，對(duì)目標(biāo)模型校驗(yàn)、修復(fù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，形成最終的精細(xì)化模型。

2.2 基于先驗(yàn)信息的三維重建

對(duì)于已有三維實(shí)體模型的目標(biāo)建模，可以通過激光掃描將三維實(shí)體數(shù)字化，構(gòu)建目標(biāo)的數(shù)字化模型[7]。但對(duì)于引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真，多數(shù)目標(biāo)沒有實(shí)體模型，只能通過有限的2D照片以及外形尺寸參數(shù)重構(gòu)三維模型。

對(duì)于飛機(jī)類目標(biāo)，有很多已知的先驗(yàn)信息可以利用。飛機(jī)都是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，還可以知道飛機(jī)的長度、翼展、高度和翼面積以及機(jī)翼前后緣后掠角等信息。例如，F(xiàn)-35A飛機(jī)的外形尺寸[8]如表1所示。

F-35A飛機(jī)采用梯形中單翼，常規(guī)水平尾翼、外傾雙垂尾、無隔板固定式進(jìn)氣道、雙曲度進(jìn)氣道，機(jī)翼和尾翼前緣后掠35°、后緣前掠15°，垂尾后掠35°、外傾25°，并針對(duì)正前方進(jìn)行了隱身優(yōu)化。采用整機(jī)計(jì)算機(jī)模擬(綜合進(jìn)氣道、吸波材料/結(jié)構(gòu)等的影響)，可以保證機(jī)體表面采用連續(xù)曲面設(shè)計(jì)。F-35A飛機(jī)三視圖如圖1所示。

利用Pro/E軟件進(jìn)行F-35A飛機(jī)的建模時(shí)，首先利用三維尺寸信息，建立邊緣特征點(diǎn)(頂點(diǎn))；其次，充分利用三視圖信息，以及飛機(jī)的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)和機(jī)翼前后緣平行特征對(duì)三幅圖像中的特征點(diǎn)進(jìn)行相互匹配。

由特征點(diǎn)可生成目標(biāo)的邊緣曲線。由特征點(diǎn)生成曲線的方法較多，常用的是NURBS曲線，它可以把規(guī)則曲面與自由曲面構(gòu)造為統(tǒng)一的曲面構(gòu)造形式，即可以把不同階次的曲面(包括曲線、平面、二次曲面、自由曲面)統(tǒng)一起來構(gòu)造，符合飛機(jī)翼身融合設(shè)計(jì)的機(jī)翼表面。利用特征點(diǎn)，進(jìn)行“樣條曲線”草繪的F-35A飛機(jī)表面骨架模型如圖2所示。

Pro/E 中“混合曲面”工具，可以生成光滑自由曲面。然后對(duì)生成的曲面與實(shí)物圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不一致的地方增加或修改特征點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 目標(biāo)實(shí)體化和表面網(wǎng)格化

在Pro/E中對(duì)模型表面進(jìn)行表面網(wǎng)格化劃分[9]，可以使用Mechanica分析模塊。Mechanica模塊不能對(duì)沒有厚度的表面模型進(jìn)行有限元分，因此必須先將模型轉(zhuǎn)變成實(shí)體模型。在“實(shí)體化”過程中，需要對(duì)曲面進(jìn)行統(tǒng)一的參數(shù)化約束，尤其注意各曲面結(jié)合處，否則不能形成閉合曲面。

應(yīng)用Pro/E軟件的FEM分析，選擇“邊界”進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分，選擇“控制”設(shè)置面元控制參數(shù)，并設(shè)置面元的類型是三角形四邊形，以及優(yōu)化步驟。點(diǎn)擊創(chuàng)建網(wǎng)格，形成的目標(biāo)有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

網(wǎng)格面元的尺寸可以自由設(shè)置，方便修改，并且可以對(duì)不同目標(biāo)的不同部位設(shè)置不同的面元大小。在曲率大的部位設(shè)置小面元提高仿真精度，在曲率小的部位設(shè)置大面元提高仿真速度。

2.4 模型的轉(zhuǎn)換

對(duì)模型表面進(jìn)行有限元?jiǎng)澐趾螅梢陨砂砻婷嬖畔⒌腇NF文件。但此文件并不適合直接用于引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真計(jì)算，F(xiàn)NF文件中包含了目標(biāo)外形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，在FNF文件的ELEM_TYPES部分包含了ELEM_TYPE (ETP) 指令，其中SHELL (SHL)，用于三角形和四邊形元素描述在目標(biāo)外形模型中的三角形和四邊形。但還包含很多冗余信息，同時(shí)缺少目標(biāo)表面材料的電磁散射系數(shù)等屬性信息。這就需要對(duì)FNF文件進(jìn)行處理，提取出仿真需要的面元信息，產(chǎn)生滿足引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真匹配的目標(biāo)模型格式文件。生成的F-35A精細(xì)化模型如圖4所示。

2.5 模型的校驗(yàn)與優(yōu)化

建立的模型是否能滿足目標(biāo)電磁散射特性仿真要求，需要進(jìn)行仔細(xì)的校驗(yàn)和優(yōu)化并增加目標(biāo)材料電磁散射系數(shù)屬性等信息。例如，F(xiàn)-35A飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占30%， F-35的翼面采用單塊式結(jié)構(gòu)、將機(jī)翼和機(jī)身集成為一體，減少了許多接頭和連接件，機(jī)翼上下蒙皮采用傳統(tǒng)的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。垂尾和水平尾翼采用鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)。由于并不知道目標(biāo)飛機(jī)真實(shí)材料的散射系數(shù)，可以先采用全金屬模型進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)國內(nèi)已知的復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試得到散射系數(shù)后，采用比對(duì)的方式進(jìn)行計(jì)算和仿真，不斷優(yōu)化模型。其次，還要對(duì)面元的大小對(duì)仿真的精度和效率的影響進(jìn)行分析，優(yōu)化面元大小。

3 引信仿真應(yīng)用

建立了精細(xì)化的目標(biāo)模型，就可以進(jìn)行引信仿真應(yīng)用。采用面元法并利用物理光學(xué)法和改進(jìn)的等效電磁流方法，計(jì)算某交會(huì)條件下引信對(duì)F-35A飛機(jī)的動(dòng)態(tài)RCS。如圖5所示。

采用Pro/E建立的目標(biāo)模型，可以應(yīng)用于引信虛擬試驗(yàn)的視景仿真[10]，在表面模型內(nèi)部增加易損性模型，還可以分析引信對(duì)目標(biāo)的引戰(zhàn)配合和毀傷效果[11]。

4 結(jié)論

本文對(duì)引信仿真中的目標(biāo)建模進(jìn)行了論述，重點(diǎn)研究了基于Pro/E軟件的目標(biāo)建模方法，提取目標(biāo)三視圖中特征點(diǎn)信息，采用混合曲面建模重構(gòu)目標(biāo)三維模型，并實(shí)現(xiàn)表面自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，該方法可以快速高效建立各種目標(biāo)模型，這對(duì)研究引信對(duì)不同目標(biāo)的啟動(dòng)特性和引戰(zhàn)配合以及毀傷效果，優(yōu)化引信設(shè)計(jì)起到了較好的作用。該方法還可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他目標(biāo)建模，提高仿真結(jié)果的置信度，降低試驗(yàn)費(fèi)用。

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