某型裝備擊水過程仿真分析

吉禮超，夏慶升，賈 磊，李 寧

(海軍駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶401121)

0 引言

目前，具有搭載某型裝備的主戰(zhàn)平臺有很多，但具備某種作戰(zhàn)模式下搭載該型裝備的平臺卻很少。因此，對該型裝備進(jìn)行改進(jìn)，使其能滿足某型主戰(zhàn)裝備搭載的需要，能很好地解決某種作戰(zhàn)模式下搭載該型裝備的問題，提高搭載該型裝備的成功率，具有重要的軍事意義。

由于能搭載該型裝備的平臺具有超低空、大速度的能力，突防能力強，導(dǎo)致該型裝備擊水沖擊強度大，擊水速度快，擊水沖擊力大，容易出現(xiàn)損壞的嚴(yán)重后果。因此通過加強仿真分析力度，為該型裝備的設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)支持，具有重要意義。

1 LS-DYNA軟件及擊水仿真方案說明

作為世界上最著名的通用顯式動力分程序，LSDYNA軟件能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。從理論和算法而言，LS-DYNA是目前所有的顯示求解程序的鼻祖和理論基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用如汽車安全設(shè)計、武器系統(tǒng)設(shè)計、金屬成型、跌落仿真等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為是最佳的分析軟件包。

LS-DYNA軟件以ALE算法為主，兼有Lagrange和Euler算法，以顯式求解為主，兼有隱式求解功能。ALE結(jié)合拉格朗日和歐拉網(wǎng)格各自的優(yōu)點，其時間積分采用中心差分格式，克服了各自的缺點，成為目前非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中大變形分析的十分先進(jìn)的有效方法。圖1是運用Ansys/LS-DYNA仿真分析的處理過程。該過程重點是網(wǎng)格劃分和K文件的編寫，同時由于該過程涉及到流固耦合，因此本過程計算也是仿真項目耗時最多的計算任務(wù)。

圖1 入水沖擊計算流程圖Fig.1 The shock calculation flow chat of splashing into the water

2 擊水過程仿真分析

本次仿真坐標(biāo)系有大地坐標(biāo)系和裝備坐標(biāo)系。

大地坐標(biāo)系:原點在裝備頭部，x軸過裝備軸線指向水平方向，y軸指向豎直向上，z軸垂直x-y平面。

裝備坐標(biāo)系:原點在裝備質(zhì)心位置，x軸與裝備軸重合指向尾部，y軸在豎直平面內(nèi)垂直x軸，z軸垂直x-y平面。

選取4個典型條件下該型裝備的初始條件進(jìn)行仿真分析，其中A為裝備頭部節(jié)點，B為裝備尾部節(jié)點，仿真結(jié)果如下:

圖2 擊水過程有限元模型和坐標(biāo)系Pig.2 The finite element model and grid system of splashing into the water process

1)平臺速度820 km/h，高度47 m，該型裝備擊水瞬間初始條件見表1。

表1 擊水瞬間初始條件Tab.1 The instant initial condition of splashing into the water

圖3 77°(與垂直方向夾角)入水過程Fig.3 The splashing into the water process at 77°(the angle at vertical direction)

從圖3可以看出，在0.026 s時，裝備尾部撞擊到水袋邊緣，形成二次沖擊，在后面的動力特性曲線中可以體現(xiàn)出來。

圖4 入水瞬間加速度曲線(最大值2 302 m/s2，脈寬0.002 5 s)Fig.4 The acceleration curve at the splashing into the water moment(the most 2 302 m/s2，pulse width 0.002 5 s)

由于受到頭部水沖擊力作用，該作用力產(chǎn)生力矩作用，使裝備產(chǎn)生繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)，從而使頭部Y方向速度減小，尾部Y方向速度增大。0.025 s時A點的Y向速度減小到了0，隨后產(chǎn)生向上的速度，使裝備抬頭。

尾部加速度曲線在0.026 s時出現(xiàn)第2個峰值1 394 m/s2，表明裝備尾部在該時刻撞擊到水袋邊緣。從裝備姿態(tài)變化曲線可看出，裝備姿態(tài)角從75°增大到了90°，也就是裝備已經(jīng)處于水平狀態(tài)。

2)平臺速度560 km/h，高度65 m，裝備擊水瞬間初始條件見表2。

表2 擊水瞬間初始條件Tab.2 The instant initial condition of splashing into the water

圖11 67°入水過程Fig.11 The splashing into the water process at 67°

從圖11可清楚地看到擊水過程產(chǎn)生的空化現(xiàn)象。淺色與深色之間的是氣、液二相狀態(tài)，不但可以看到尾部擊水，還可看到尾部擊水后卷起的水氣。

從圖12～圖15可以判斷，平臺以560 km/h的速度從72 m的高度進(jìn)行投放，裝備傾角向垂直方向趨于增大，頭部徑向過載峰值為146個重力加速度(約1 460 m/s2)。

下面是2種極限狀況的擊水過程，一種是平臺以820 km/h的速度從1 000 m高度進(jìn)行投放，討論該種情況主要是由于980 m投放，裝備下降過程會出現(xiàn)平衡速度，是傘降的一個普遍現(xiàn)象;另一種是以820 km/h的速度從47 m高度進(jìn)行投放，裝備以47°擊水過程，該過程通過仿真可知很難出現(xiàn)，因為裝備是靜穩(wěn)設(shè)計，以47 m投放時俯仰角在擊水時不會變動如此劇烈，但考慮到擊水過載與擊水速度有很大關(guān)系，47 m投放擊水速度最大，為防止極端情況出現(xiàn)，在此處還是對該情況進(jìn)行了討論，主要提供過載的一種極限參考。首先是980 m擊水過程，然后是47 m，47°擊水過程的仿真分析。

3)投放速度820 km/h，高度980 m，裝備擊水瞬間初始條件見表3。

表3 擊水瞬間初始條件Tab.3 The instant initial condition of splashing into the water

4)平臺速度820 km/h，高度47 m，擊水瞬間初始條件見表4。

表4 擊水瞬間初始條件Tab.4 The instant initial condition of splashing into the water

圖21 47°入水過程Fig.21 The splashing into the water process at 47°

圖26 頭部徑向加速度曲線 (最大值1 297 m/s)Fig.26 The acceleration curve of head at radial direction(the most1 297 m/s)

3 結(jié)語

目前基于LS-DYNA做過航空類裝備項目，其入水沖擊與實驗值完全在一個量級上，與美國海軍軍械所提供的檢驗標(biāo)準(zhǔn)也基本一致，具有較高的仿真可信度。通過對以上4個典型條件下該型裝備的初始條件進(jìn)行仿真分析，可以得出平臺投放該型裝備的最大擊水過載、脈寬、入水姿態(tài)角等參數(shù)，可以為該型裝備的設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)支持。

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