空投沉底航行體入水和觸底過程仿真研究

【摘要】本文基于ANSYS/LS_DYNA軟件，對(duì)某空投沉底水下航行體以大傾斜角高速入水過程以及航行體觸底過程進(jìn)行了仿真研究。通過對(duì)航行體入水和觸底時(shí)的過載研究，對(duì)航行體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；通過對(duì)航行體入水時(shí)的姿態(tài)研究，對(duì)航行體的布放方案設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)意見，對(duì)入水后的水下彈道設(shè)計(jì)也具有重要的參考意義。

【關(guān)鍵詞】空投；航行體；入水；LS-DYNA

1.引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中水下對(duì)抗愈演愈烈，為提高水中兵器部署的快捷性和隱蔽性，采用空投部署方式越來越普遍。采用空投方式部署的水下兵器，特別是沉底的水下兵器，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上，面臨著入水和觸底的雙重考驗(yàn)。航行體在入水過程中受到巨大的流體作用力，過大的入水載荷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和內(nèi)部零件失靈，且流體載荷會(huì)改變航行體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)水下彈道帶來巨大影響，從而影響部署的位置精度。航行體觸底時(shí)，由于海底情況復(fù)雜，當(dāng)遇到硬質(zhì)海底時(shí)，航行體與海底發(fā)生劇烈碰撞，并會(huì)產(chǎn)生彈跳。由于流體的存在，水下碰撞有別與空氣中的碰撞。因此，研究空投沉底水下航行體的入水和觸底過程對(duì)提高航行體系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

進(jìn)行入水沖擊和水下碰撞試驗(yàn)耗資巨大操作困難，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)也未必可靠。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算速度和計(jì)算精度已經(jīng)得到極大提高，利用有限元方法對(duì)此類的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析，能極大提高研究工作效率節(jié)約研究成本縮短研究周期。當(dāng)前，諸多專業(yè)仿真軟件在研究入水、碰撞等復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)分析中得到了廣泛的應(yīng)用，諸如LS-DYNA、MSC.Dytran、ABQUS等，大量用戶的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致程度較高[1-3]，對(duì)產(chǎn)品的前期設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化等提供了重要的指導(dǎo)意見。在此背景下，本文選用ANSYS/LS-DYNA，對(duì)某空投沉底水下航行體的入水和觸底過程進(jìn)行了仿真研究，以得到航行體在不同工況下入水和觸底的過載和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為航行體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布放方案提供指導(dǎo)意見。

2.LS-DYNA算法介紹

2.1 接觸碰撞的基本算法

LS-DYNA程序處理接觸-碰撞主要采用三種不同的算法，即節(jié)點(diǎn)約束法、對(duì)稱罰函數(shù)法和分配參數(shù)法。節(jié)點(diǎn)約束法僅用于固連界面，分配參數(shù)法僅用于滑動(dòng)界面，對(duì)稱罰函數(shù)法是最常用的算法[4]。根據(jù)三種不同算法的特點(diǎn)，本文選用對(duì)稱罰函數(shù)法。

不同結(jié)構(gòu)可能相互接觸的兩個(gè)表面分別稱為主表面和從表面。對(duì)稱罰函數(shù)法每一時(shí)步先檢查各從節(jié)點(diǎn)是否穿透主表面，沒有穿透則對(duì)該從節(jié)點(diǎn)不做任何處理，如果穿透，則在該從節(jié)點(diǎn)與被穿透的主表面之間引入一個(gè)較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主片剛度成正比，稱為罰函數(shù)值，它的物理意義相當(dāng)于在從節(jié)點(diǎn)和被穿透主表面之間放置一個(gè)法向彈簧，以限制從節(jié)點(diǎn)對(duì)主表面的穿透。

2.2 流固耦合基本算法

LS-DYNA程序中的流固耦合算法有以下幾種[4]：

1）合并流體和結(jié)構(gòu)的界面節(jié)點(diǎn)。該方法網(wǎng)格劃分時(shí)流體網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在界面處有相同的密度，節(jié)點(diǎn)數(shù)及位置相同。

2）接觸算法。結(jié)構(gòu)和流體在界面處有各自的邊界面，可以劃分不同密度的網(wǎng)格，在流體和結(jié)構(gòu)之間需要定義接觸滑移面，這與碰撞接觸類型定義相同。

3）ALE算法。該方法結(jié)構(gòu)與流體幾何模型以及網(wǎng)格可以重疊在一起，計(jì)算中通過約束方法將兩者耦合在一起，以實(shí)現(xiàn)力學(xué)參量的傳遞，是真正意義上的流固耦合。結(jié)構(gòu)采用Lagrange單元，流體（包括水和空氣）采用Euler單元，兩者的交界面定義流固耦合面。對(duì)以上算法的分析與比較，本文采用ALE算法實(shí)現(xiàn)航行體的入水與觸底過程仿真分析。

3.數(shù)值模型建立

從圖可以看出，航行體以75o和70o傾斜角入水，姿態(tài)角迅速增大，呈發(fā)散趨勢(shì)，存在跳彈的風(fēng)險(xiǎn)，由于70o入水時(shí)攻角為負(fù)，所以姿態(tài)變化更為劇烈，在航行體布放時(shí)應(yīng)避免此類工況出現(xiàn)。65o傾斜角入水時(shí)姿態(tài)角變化較小，呈平穩(wěn)趨勢(shì)。由于60o傾角入水時(shí)由于負(fù)攻角比65o大，所以前期姿態(tài)角變化比較劇烈，但最終平穩(wěn)呈收斂趨勢(shì)。

5.航行體觸底載荷分析

水下觸底過程是一個(gè)在流體環(huán)境下的固體碰撞過程，既要考慮到碰撞沖擊效應(yīng)，也應(yīng)考慮到液體環(huán)境的阻尼效應(yīng)，所以在航行體和海水之間采用流固耦合算法，而在航行體和海底之間采用侵蝕接觸算法；在海底材料模型方面，考慮到水下撞擊的極端條件，將海底選為硬質(zhì)海底，模型材料選為巖石，而非沙泥。初始條件如表所示。

6.結(jié)論

本文基于ANSYS/LS-DYNA對(duì)空投沉底水下航行體進(jìn)行了入水和觸底過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過對(duì)四種不同工況的入水過程研究，得到了航行體入水時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，這對(duì)航行體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均和空投布放方案設(shè)計(jì)均提供了重要指導(dǎo)意見。研究表明，入水時(shí)航行體的姿態(tài)角和入水速度越大，不僅入水過載會(huì)越大且入水姿態(tài)也越不容易穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)跳彈現(xiàn)象。另外，航行體大傾角入水時(shí)，負(fù)攻角對(duì)航行體姿態(tài)穩(wěn)定不利，布放時(shí)應(yīng)采取措施盡量減小入水時(shí)的負(fù)攻角。對(duì)航行體觸底過程研究，得到了航行體的觸底時(shí)的過載特性，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，觸底時(shí)的過載比入水時(shí)的沖擊過載更大，航行體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)充分考慮觸底情況。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣克強(qiáng)，張遵鷗，張培成.基于ANSYS/LS-DYNA的示位標(biāo)入水沖擊仿真分析[J].電子機(jī)械工程，2008，28（2）：15-21.

[2]魏照宇，石秀華，王銀濤，王生武.水下航行器高速斜入水沖擊的探索仿真研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（5）：718-723.

[3]徐新棟，李建辰，曹小娟.魚雷緩沖頭帽入水沖擊性能研究[J].魚雷技術(shù)，2012，20（3）：161-170.

[4]李裕春，時(shí)黨勇，趙遠(yuǎn).ANSYS11.0/LS-DYNA基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[5]Livermore Software Technology Company. LS-DYNA Theory Manual[M].2006.

[6]郁衛(wèi)東.結(jié)構(gòu)高速入水載荷特性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

作者簡(jiǎn)介：楊興滿，畢業(yè)于重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，工程師，現(xiàn)供職于宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析及數(shù)字化設(shè)計(jì)工作，研究方向：水中兵器結(jié)構(gòu)仿真。