一种柔性网灵敏性参数正交仿真试验分析方法.docx

? ? 一种柔性网灵敏性参数正交仿真试验分析方法 ? ? 刘 亮,邱旭阳,贾彦翔,卞伟伟 (北京机械设备研究所,北京 100854) 柔性网拦截弹作为一种性价比和可靠性较高的捕获“低慢小”无人机目标的方式[1],根据发射位置不同,主要分为地面发射捕获和无人机空中捕获。如英国OpenWorks公司研发的Skywall 100武器系统通过肩扛式发射装置发射绳网来进行无人机的直接拦截;荷兰Delft Dynamics公司研制的“无人机捕手”通过采用无人机发射绳网实现对非合作无人机目标的压制;此外,还有美国密歇根理工大学研制的多旋翼无人机柔性网捕获系统与国内航天科工二院206研究所研发的“低慢小”柔性网拦截系统[2-3]。 柔性网空中展开过程时间短，变化快,流固耦合现象比较严重,相对于空间飞网,超低空,气动环境复杂多变,地面试验难以模拟其动态性,导致柔性网展开具有很大的不确定性[4]。柔性网最大开网面积、滞空时间、有效拦截面积是考核柔性开网性能优劣的核心指标,直接关系到柔性网拦截弹对目标的拦截压制效果。而弹体速度、弹射角度、牵引头质量、弹射速度、弹道倾角等参数直接决定了上述核心指标的实现,如图1所示。 图1 柔性网开网过程参数说明 想要精确获得以上参数信息相当困难,为了评估开网参数对柔性网开网效果性能的影响,同时尽可能覆盖较大的参数范围,减少仿真计算工作量,本文基于正交试验法[5-6]对仿真工况进行设计。 1 正交仿真试验设计 1.1 参数选取 以四边形柔性网为例,网型如图2所示。四边形网共有四个牵引头,中心区域由正方形网格均匀组成,每个网格边长为400 mm,共13×13个网格;网的四边由连接绳与牵引绳连接,连接点与牵引绳端点距离300 mm,牵引绳总长为500 mm。正方形网名义展开面积为31.63 m2。 图2 四边形柔性网网型 参见图1,试验中所考虑的参数如表1所示。 表1 试验中参数表 1.2 正交表构造 本文采用的正交表为L25(56)，由于只选取了5个因素，因素正交表中有一列为空。每个因素的水平划分如表2所示，其中θ为弹道倾角、v为弹体速度、m为牵引头质量、θr为质量块弹射角度、vr为质量块弹射速度。正交试验表如表3所示，从表1中可以看出表中任意一列各水平均出现且出现次数相等；任意两列之间各种不同水平的组合均有可能出现，且出现次数相等，这体现了正交设计表“均匀分散、齐整可比”的特点[8]。 表2 六边形网正交试验设计的因素与水平 表3 正交仿真试验设置表 2 灵敏度分析方法 2.1 极差法[8] (1) 式中,pj为第j因素所划分水平的数目。 Rj越大则说明该因素对该指标的影响越大,该因素越重要,据此可将各因素按照重要性进行排序。极差法的优点在于简单直观,计算量少,但是它无法估计试验误差的大小,也无法提出一个标准来判断因素的作用是否显著。 2.2 方差法 方差法的基本思想是将指标的总离差分解成因素的水平变化引起的离差和误差引起的离差两部分,然后构造F统计量,作F检验,从而判断因素的显著程度。设因素j的水平变化引起某指标的离差为[8] (2) (3) 式中,fj、fe分别为因素j和误差e的自由度。 Fj越大说明该因素对该指标的影响越大,该因素越重要,也可据此进行重要性排序。若Fj>F1-α(fj,fe),则认为因素j对该指标有显著影响,否则无显著影响,其中,α为置信水平。由此可见,方差法相对于极差法的一大优势在于可以判断因素的显著程度[8]。 3 灵敏度参数分析 3.1 最大开网面积灵敏性分析 最大展开面积正交仿真试验得到的最大展开面积如表4所示,弹道倾角等5项参数在不同水平下对试验结果的影响,计算结果如表5～表9所示,不同因素对应的极差如表10所示。 表4 正交试验中的最大开网面积 表5 弹道倾角不同水平下的最大开网面积 表6 弹体速度不同水平下的最大开网面积 表7 牵引头质量不同水平下的最大开网面积 表8 弹射角度不同水平下的最大开网面积 表9 弹射速度不同水平下的最大开网面积 表10 不同因素对应的极差 从上述表中可以看出,各因素按照影响作用从大到小排列依次为:弹体速度、弹射角度、牵引头质量、弹射速度、弹道倾角。 各个因素在不同水平下最大展开面积的变化趋势图如图3所示,从图3中可见,弹体速度越小越有利于获得较大的展开面积;弹射角度、弹射速度及牵引头质量越大则越能增大最大展开面积;弹道倾角对于最大展开面积的作用不明显。 图3 各因素在不同水平下对应的最大展开面积 方差分析法将正交试验的数据分解成因素水平变化引起的离差和误差引起的离差两部分,然后构造F统计量,作F检验,从而判断因素作用的显著程度。因素的F统计量值越大则说明该项因素对指标的影响越大。最大展开面积的方差分析结果如表11所示,可以看出对最大展开面积的影