|
随着航天工业的发展，导弹的结构无论在形式、受力情况及边界条件等方面均变得十分复杂。同时可靠性和设计周期的需求，要求所采取的设计方法不但精度要高而且速度要快。
在导弹设计中主要分析有：
气动分析
结构的静、热强度（刚度）计算
结构振动模态计算
弹体气动弹性及发散计算
广泛应用于航空航天工业的ANSYS 软件，已经成功地解决了导弹设计中空气动力分析、静强度刚度分析、振动模态和动力响应分析、稳定性分析、热分析，电磁分析等。它可以最大限度地模拟导弹在飞行过程中的真实环境，改变了过去事事处处依靠实验的做法，从而大幅度地节约了经费，缩短了设计周期。
图4-1、4-2 中，采用ANSYS 的空气动力分析和热分析功能对某弹体进行了气动加热分析，分析状态为该弹体由零公里发射到75 公里，马赫数达到3。图4-1 是该弹体的温度场分布云图，图4-2 是弹体的马赫数分布云图。
图4-1 图4-2
1 总体设计分析
在导弹总体设计分析中要考虑的问题有：
空气动力分析
频率和振型
线性和非线性静态和瞬态的应力
失稳分析
导弹抗外界冲击分析
导弹的雷达反射特性以及红外辐射特性
ANSYS 的流体分析功能可以对导弹的总体进行空气动力分析，移动壁面的功能可方便地模拟导弹在高速飞行时的湍流情况，计算升力、阻力。
ANSYS 的动力响应分析功能可以快速地进行模态和振型计算，特别是非线性材料，如导弹上大量使用的复合材料等。ANSYS 可考虑许多因素对模态和振型的影响，可以准确地计算出导弹在各种条件下的模态和振型。在进行分析时，同一个分析模型可以存在多种材料，ANSYS 方便的前处理可以帮助设计人员最大限度地模拟导弹的真实结构，改变了过去只能考虑一种材料和大量地对模型进行简化的设计分析方式。
ANSYS 能够对导弹总体进行失稳分析。
ANSYS 具有强大的电磁场分析功能和热辐射分析功能，可以很方便地计算导弹的雷达和红外隐身特性。
图4-3、4-4利用ANSYS的电磁分析功能对椭球体的等效反射截面进行了计算，为了评测椭球体的反射特性，我们取计算模型上最靠近电磁场入射方向的一个点为参考点。为了计算出该椭球体的等效反射截面，我们还计算了第二个模型，该模型只是将前一计算模型中的椭球体改成了圆柱体。圆柱体的轴线方向为椭球体的长轴方向（电磁场入射方向），其长度接近于椭球体的长轴长度。通过改变该圆柱体的截面半径，使得两个模型计算出的电磁场量在上述参考点处近似相等，则该圆柱体的截面积就是上述椭球体的等效反射面积。
图4-3 圆柱反射体电场强度 图4-4 椭球反射体电场强度
航天器自身及其试验台上常常有榫头连接结构，图4-5～4-8 为榫头连接强度的分析，计算凸头与凹头间、螺栓与本体间的接触应力。
图4-5 模型 图4-6 螺栓的应力分布
图4-7 凸头的应力分布 图4-8 凹头的应力分布
2 零部件设计分析
（1） 弹翼
无论是骨架较强而蒙皮较弱的弹翼、骨架和蒙皮强度接近的弹翼或是骨架很弱而蒙皮很强的弹翼，ANSYS 强大的单元库可以提供梁单元、壳单元来对这些类型的弹翼进行分析，也可以用三维实体单元真实地模拟局部的实际情况。对于整体弹翼的分析，以往一般要对模型进行大量的简化，影响了分析精度，运用ANSYS 良好前处理功能可以帮助设计人员最大限度地模拟弹翼的真实结构，提高分析准确性。在分析里可以考虑多种材料多种单元并存。ANSYS 强大的复合材料计算功能完全可以解决蜂窝夹层结构的弹翼分析。
借助于多层壳及实体单元（ANSYS 共有250 层的复合材料壳单元和实体单元）能建立复合材料模型，这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层，各层的层厚和材料方向允许各不相同。ANSYS 提供的失效准则有最大应变失效准则、最大应力失效准则和Tsai—Wu 失效准则，用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则。ANSYS 的复合材料功能特别适合于有大量复合材料的导弹系统。
图4-9
以色列Rafael 第三结构分析小组对某夹层结构的弹翼进行了分析，采用了SHELL99 单元，取得了满意的结果。图4-9 为最外层的应力云图。
ANSYS 强大的热分析功能，可以考虑材料性质随温度的变化，同时可以考虑材料的各向异性特性，同时进行热载荷和静载荷的藕合计算，完全可以满足弹翼的热力分析。
ANSYS 的热传导单元，能进行第一类和第二类边界条件的计算，并能同时考虑材料的各向异性，如复合材料等。
弹翼既要满足静强度，还要满足稳定性的要求，ANSYS 还可以对弹翼进行稳定性分析。
翼面的振动特性计算是一个十分复杂的问题，特别是现代导弹翼面结构，多是整体薄板型或实心板型的小展弦比翼面，这种翼面的特征值和特征矢量的计算要比飞机翼面的计算要复杂的多。它除了受到翼面的结构和几何外型的影响外，还要受到支持条件的影响。运用ANSYS 最大限度地接近真实结构和几何外型，可以大大减少因简化它们而带来的不良影响。ANSYS 先进的动力响应分析软件ANSYS/LS—DYNA 可以同时采用集中质量矩阵和一致质量矩阵、用先进的显式求解方法，能同时求出各种模式，完全能解决在分析时遇到的各种问题。通过分析计算，可以精确地得出根部支持刚度、支持条件对动力特性和固有频率的影响，达到对结构进行优化设计的目的。
以往对弹翼进行分析时，由于条件的限制，通常将根部视为固支边界，这显然是不合理的，现在ANSYS 提供了强大接触单元，则可以进行弹身—弹翼联合计算，彻底解决这一问题。ANSYS 高级接触单元、接触导向、智能化接触参数设置能帮助设计工程师方便快捷的进行接触非线性分析。接触收敛问题是困扰计算分析人员的一大难题，ANSYS 在计算过程中可根据当前的非线性状态（如塑性应变率、蠕变应变率、接触间隙等）及时调整某些非线性参数的定义，以保证求解收敛，同时程序也会根据当前的非线性参数状态，调整线性预测、发散二分等数学工具，加快收敛速度。
（2） 弹身
l 整体铸造仓段
整体铸造弹身仓段结构比较复杂，且承受的载荷也相当复杂，不仅有其它仓段传来的切向载荷，还有内部荷重通过接头传来的集中力、力矩以及作用于仓段自身的气动力和惯性力，ANSYS 方便的载荷施加方式可实现上述载荷边界条件。ANSYS 可根据自定义坐标系，方便地在节点或单元面上施加任意方向的集中力、面力和力矩，也可直接读取流体计算和热传导计算结果中的气动力和温度场数据
以往在进行整体铸造弹身仓段分析时，对结构进行了大量的简化。现在运用ANSYS 则可以将仓段壳体离散成壳单元，加强筋离散成梁单元，形成混合单元以达到最佳的分析效果。
在前处理中，ANSYS 可按实际形状显示壳、梁单元。后处理中计算结果也可显示在按实际形状显示的壳、梁结构上，从而使弹仓段的模型检查、结果表达更加清晰方便。
考虑到整体铸造弹身仓段结构规模比较大，在ANSYS 软件中可以进行“先粗后细”的子模型结构分析，可以先进行整体“粗网格计算”，然后根据粗网格计算结果选出关心的部位，进行网格细分。ANSYS 的子模型分析功能可自动从整体计算结果中取出细分区域边界上的位移结果，通过按形函数插值施加在子区模型的边界上。
整体铸造弹身仓段是由多种材料组成的，以往在处理这个问题时要进行不同模量材料之间的折算，ANSYS 完全可以计算在同一模型中存在多种材料的情况，彻底解决这一问题，得到准确的计算结果。
在整体铸造弹身仓段对接处，用接触单元进行计算，可以达到真实的受力情况，无须进行边界条件的假设。
在进行弹身振动特性分析时，运用ANSYS可以最大限度地接近真实地模型，运用大规模网格和强大的接触分析，可以进行各个部件的耦合动力响应分析，得到准确的振动特性，再运用ANSYS 优化功能就可以对弹身进行优化设计。
Sargent—Fletcher 使用ANSYS 结构分析软件对弹舱进行了静力和谐振分析，结果表明，在飞行时摄像机不会与视窗发生接触，为设计者提供了可信的结果（图4-10）。
图4-10
l 充压容器
导弹上的箱体和气瓶可以归入充压容器这一大类，为了确保导弹使用中燃料输送系统的安全正常的工作，它们必须确保气密和有足够的强度，在结构上多用焊接结构。ANSYS“单元死活技术”、“相变分析技术”为焊接过程的模型提供了良好的解决方案。单元死活技术可模拟材料的去除与添加过程，随焊缝中焊料的不断加入，可逐步击活相应部分的单元，使其参与传热、承载；相变分析可准确地模拟焊料由液相到固相的过程，待计算到焊缝中的焊料全部冷却凝固、冷却后，即可得到焊接件的残余应力和变形；改变单元激活的步骤及时间，即可得到不同的焊接工艺的焊接结果，从而为焊接过程的优化提供了依据。
图4-11
图4-11 为采用ANSYS 进行的焊缝应力分析，分析中采用了“死单元和活单元”。
运用ANSYS 可以对箱体和气瓶分析，可以满足各种载荷边界条件，可以对它们进行准确的静力分析及有可能出现的大变形（包括塑性变形）等非线性分析。
（3） 天线罩
对天线罩的分析集中在热强度问题上。为满足雷达波穿过的需要，天线罩均由非金属材料制成，导弹主要使用玻璃钢，在结构上由两部分组成：一部分为内外蒙皮加蜂窝夹芯的罩体，另一部分是较厚的实心玻璃钢。在导弹飞行中天线罩不但要承受头部气动力，而且还要承受气动加热。由于导弹的加速快，飞行时间短，因此，这两种载荷是瞬态的。
ANSYS 成熟的瞬态分析及热—结构耦合分析功能，不仅能够实现上述材料非线性，而且可以完成上述复杂的载荷边界条件。运用ANSYS 来进行天线罩的热强度分析，能够大大减少实验，从而节省经费，缩短设计周期。
3. 导弹战斗部设计分析
装药结构设计分析
ANSYS/LS-DYNA 具有先进的炸药/金属（或非金属）接触碰撞算法，可以对导弹战斗部主装药爆炸过程进行二维或三维模拟仿真计算，以选择最优的装药结构参数，为新型战斗部的设计和验证提供虚拟样机模型。
图4-12 图4-13
图4-12 是同种炸药，装药直径相同，长度不同的EFP 战斗部，所得的EFP 的能量不同,长者较高。为得到好的爆炸效应，程序有不同的起爆方式：点起爆、线起爆（二维）和面起爆（三维），在炸药中产生不同的爆轰波形，从中优选最佳起爆方式,即优选最佳的传爆扩爆系列。如图4-13 是同种炸药直径长度均相同的EFP 战斗部，一个采用点起爆，另一个采用波形控制器起爆，后者比前者EFP 能量更高。
炸药性能评估
ANSYS/LS-DYNA 对炸药爆炸的处理已超过二十年的历史，不仅考虑了炸药的理想爆轰、非理想爆轰、高能炸药冲击起爆、混合炸药爆轰、炸药与不同介质的耦合作用获得高动能的杀伤元素等，都能精确的进行模拟仿真。
应用ANSYS/LS-DYNA 的二维和三维模型模拟TNT. 、RDX 为主的混合炸药、HMX 为主的混合炸药的标准测试实验，如圆筒试验、拉氏实验、飞片冲击起爆试验等。用以拟合炸药的JWL 状态方程和反应速率方程参数，为战斗部的实际工程应用直接提供设计参数，图4-14为采用不同炸药得到不同能量的EFP参数的图象。
a. EFP 的动能EJ=573622.4 Kg m b. EFP 的动能EJ=472669.2Kg m
图4-14
炮弹发射安全性分析
炮弹在发射过程中，承受高过载，炸药和壳体间产生高速冲击，炸药安定性是保存自身消灭敌人的关键，尤其现在提高射程，采用高膛压射击，炮弹装药的安全性就显得更为重要。
用ANSYS/LS-DYNA 所具有的火药燃烧模拟功能，具有的多种壳体和实体单元和多种材料模型，可以精确描述炮弹的结构和受力状态。图4-15 是炮弹发射过程图象。
图4-15
战斗部结构分析
ANSYS/LS-DYNA 是目前市场上唯一可以对各种穿甲、破甲、杀伤爆破和破片式杀伤战斗部都能进行二维和三维结构分析的商用软件，而其它软件不如ANSYS/LS-DYNA 的功能全。
ANSYS/LS-DYNA 具有多种单元库、多种材料模型、多种材料状态方式、多种冲击接触碰撞算法，可以精确描述各种不同结构的战斗部爆炸过程，为研制新型战斗部提供设计依据。缩短研制周期，节约研制经费。
离散杆战斗部
聚焦定向能技术使离散杆战斗部的离散杆均匀形成环状破片散布。它克服了破片式战斗部和连续杆战斗部的缺点，提高了对目标的毁伤能力，已应用于空--空导弹战斗部。图4-16 离散杆战斗部初速模拟计算图象。
图4-16 离散杆战斗部初速 图4-17 破片式杀伤战斗部杀伤场
破片式杀伤战斗部
破片式杀伤战斗部是对付空中、地面目标多用途的战斗部，利用ANSYS/LS-DYNA 的特殊功能，可以作出予制破片战斗部摸型，然后进行摸拟计算。图4-17 是破片式杀伤战斗部杀伤场图象。
介质（空气、水、土壤）中爆炸
由于ANSYS/LS-DYNA 具有Lagrange、Enler 和ALE 分析能力，可对多种介质中爆炸进行精确的分析模拟。对弹药终点效应设计具有重要意义。
因为弹药与目标的原尺寸实验费用昂贵，获得的实验数据十分有限，有的甚至不可能进行试验。利用ANSYS/LS-DYNA 进行分析可以缩短研制周期，节省研制经费，图4-18 是中水下爆炸对舰船破坏的图象。
图4-18 水下爆炸对舰船的破坏
弹靶碰撞与侵彻效应
导弹在实际使用时，通常会与目标碰撞或侵彻一定深度后开始起爆，在起爆前的碰撞阶段，弹体与目标的相互作用过程是一个高度非线性、大变形甚至弹体与靶板或结构发生高应变率的断裂、破坏过程。
a. EFP 侵彻单层靶 b. EFP 侵彻多层靶
图4-19
ANSYS/LS-DYNA 具有丰富的碰撞接触类型和100 余种动态材料本构模型，可对导弹在高速碰撞时结构组件的动力响应、战斗部的传爆系统、弹体的侵彻深度等进行深入的模拟分析，以满足设计要求。图4-19 是EFP 侵彻贯穿层靶和多层靶的图象。
图4-20 是穿甲弹侵彻混凝土等多层硬目标，图4-21 是穿甲弹侵彻钢靶。
图4-20 侵彻混凝土等多层硬目标 图4-21 侵彻钢靶
子母弹抛馓
子母弹是提高弹药威力的重要途径，试验表明152 mm 口径榴弹，对人员目标的毁伤面积为800 mm2，改为子母弹后杀伤面积可达7524 mm2，子母弹作用威力显著。
图4-22
ANSYS/LS-DYNA 近二十年来被许多国家用于子母弹战斗部的设计，利用强大的接触功能和特殊单元类型可模拟分析子母弹三维的抛撒。近十年来国内也有许多单位将DYNA 软件用于武器型号的子母弹抛撒及作用的研制分析等。图4-22 是子母弹抛撒图。
4. 导弹发射系统的设计分析
导弹发射系统是导弹武器系统不可缺少的重要组成部分。它具有高集成化、多连装、抗打击等优良性能和快速补给能力。该系统主要用于长途越野运输、储存、发射、装入和卸出导弹。ANSYS 能分析发射系统中所涉及的冲击振动问题、高温高压燃气对结构的冲刷作用、系统的稳定性问题以及在随机载荷作用下的疲劳问题。
导弹发射过程中，发射架、发射车等系统承受很强的瞬态动力冲击，ANSYS/LS-DYNA 显示求解模块是公认的动力冲击问题的工业分析标准，可很好地解决发射系统高度非线性的瞬态动力响应。导弹发射时，首先要冲破发射筒的筒盖，若筒盖设计不合理， 严重时会影响弹道，ANSYS/LS-DYNA 侵彻仿真功能可用于模拟导弹穿过筒盖的过程，从而为筒盖的设计提供依据。图4-23 为导弹穿过筒盖过程示意。
图4-23 导弹穿过筒盖过程示意
5. 视景系统设计分析
在巡航导弹中包含很重要的一部分即下视景系统及其匹配系统的研制，具体包括有成象系统研制，包括镜头、成象器、窗口等；照明系统研制，包括闪光灯，反光器、窗口、电源及激励电路等；稳定系统研制，包括稳定框架、控制电路、驱动电路等。对该系统在受热、承载等复杂条件下，系统仍能保证可靠地工作，ANSYS 可以对这些光学系统进行结构分析、冷却分析、热分析，提供了对复杂情况下的模拟，对保证系统可靠地工作提供依据。
|