导弹天线罩参数化有限元建模和热可靠性分析

摘要：基于Pro/ENGINEER，Patran和MSC Nastran，以坚晶石导弹天线罩为研究对象，结合参数化有限元建模方法，将天线罩结构尺寸、材料性能和热流输入等作为随机因素，使用蒙特卡罗数字模拟法对其进行热可靠性分析，详述参数化建模和可靠性分析的流程，得到天线罩热应力的概率分布、随机因素与热应力的变化关系以及天线罩热可靠度等可靠性分析数据.结果显示，本文的天线罩热可靠度为99.93%.本研究证实对导弹天线罩进行参数化有限元建模和可靠性分析的可行性.

关键词：天线罩； 参数化； 热强度； 可靠性； 有限元

中图分类号：TJ765.4；TB115.1文献标志码：B

0引言

参数化是指通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新模型的建模思想和方法.参数化建模即是用参数化思想和方法建立的模型，可用在优化和可靠性分析技术上，通过改变模型参数值即可达到改变模型的目的，其参数不仅可以是几何参数，也可以是温度、材料等属性参数.可靠性分析是关于结构可靠度的一种概率分析方法，该方法认为，结构的真实行为或响应都是概率意义上的量，并服从一定的统计分布规律，当结构满足使用要求的概率达到一定程度时，便可认为其满足可靠性要求.结构的可靠性研究始于20世纪40年代，随后，国际上发展和推广以统计数学为基础的结构可靠性理论，其中，蒙特卡罗数字模拟法被视为最通用的可靠性分析方法之一[1].

现代红外空空导弹天线罩由于其球型大钝头的设计和晶体透波材料的应用，天线罩因热冲击造成的强度问题特别突出[2]，因此，在导弹研制中需通过试验和仿真方法对头罩热强度性能进行评估.当前强度分析使用的基本上都是确定性方法，通常只考虑单个因素对结构性能的影响，而非整个结构系统的安全，忽视结构尺寸、材料和外载中包含的各种随机因素.随着现代有限元技术和设计理念的发展，对结构总体性能的评估越来越受到重视，因此，考虑实际工程的随机因素，对弹体结构进行随机力学和基于概率思想的可靠性分析具有十分重要的意义.

目前已有一些对于导弹天线罩的参数化建模和热强度分析的研究[2-6]，而如何实现更准确的热强度数值仿真更是当前的热点问题，但鲜有将二者结合起来进行可靠性分析的文献.本文以导弹天线罩为研究对象，结合参数化建模方法，将天线罩结构尺寸、材料性能和热流输入等作为随机因素，使用蒙特卡罗数字模拟法对其进行热可靠性分析，详述参数化建模和可靠性分析的流程，得到天线罩热可靠度等可靠性分析数据.

1天线罩参数化建模

参数化建模是可靠性分析的前提，基于Pro/ENGINEER，Patran和MSC Nastran的天线罩参数化建模流程见图1，包含天线罩几何建模、温度场计算有限元建模、温度场计算、热应力计算有限元模型建模和热应力计算等5个模块.

需要说明的是，本例的有限元模型是线弹性模型，当天线罩材料的强度极限与各随机因素处于其均值的天线罩最大热应力值有明显差异时，也可容易地判断天线罩是否满足热强度要求.但当有限元模型存在非线性（如材料非线性、带接触的边界非线性）关系时，则不能简单地估计其可靠度水平，此时，通过可靠性分析获得的具体可靠度结果便能直观、定量地衡量结构能满足其使用要求的可靠性程度.

4结束语

以导弹天线罩为研究对象，结合参数化有限元建模方法，将天线罩结构尺寸、材料性能和热流载荷等作为随机因素，使用蒙特卡罗数字模拟法对其进行热可靠性分析，详述参数化建模和可靠性分析的流程，得到天线罩热应力的概率分布、随机因素与热应力的变化关系以及天线罩的可靠度等可靠性分析结果.结果显示，该天线罩的热可靠度为99.93%，可认为已满足强度要求.本文证实对导弹天线罩进行参数化建模和可靠性分析的可行性，发展可靠性理论的应用，有助于缩短导弹的研制周期.

参考文献：

[1]吕震宙， 宋述芳， 李洪双， 等. 结构机构可靠性及可靠性灵敏度分析[M]. 北京： 科学出版社， 2009.

[2]张谟杰. 导弹天线罩的结构可靠性[J]. 制导与引信， 2006， 27（2）： 44-46.

ZHANG Mojie. The Structural reliability of missile radom[J]. Guidance & Fuze， 2006， 27（2）： 44-46.

[3]施政. 应用ANSYS进行天线罩几何建模方法探索[J]. 制导与引信， 2004， 25（2）： 38-41.

SHI Zheng. Research on raradome geomery model method using ANSYS[J]. Guidance & Fuze， 2004， 25（2）： 38-41.

[4]王端志， 高万镛. 导弹天线罩静热联合试验及其热强度分析[J]. 强度与环境， 2001（3）： 1-9.

WANG Duanzhi， GAO Wanyong. Antenna cover structure thermal test and analysis under combined thermal and mechanical loads[J]. Structure & Environment Engineering， 2001（3）： 1-9.

[5]刘建杰， 戴振东， 朱强. 雷达型导弹天线罩静热强度有限元计算与分析[J]. 航空兵器， 2004（1）： 30-33.

[6]李建华， 郭常宁， 许泉， 等. 红外空空导弹头罩热应力分析[J]. 强度与环境， 2012， 39（2）： 46-52.

LI Jianhua， GUO Changning， XU Quan， et al. Thermal stress analysis for the radome of the infrared air-to-air missile[J]. Structure & Environment Engineering， 2012， 39（2）： 46-52.

[7]史晓鸣. 导弹翼面大攻角热颤振分析[D]. 上海： 上海航天技术研究院第八设计部， 2006.（编辑陈锋杰）