水下舷外發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

蘇 杭，李四超，趙 錚

(1.南京理工大學(xué),能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094; 2.海軍駐鄭州地區(qū)軍代表室， 鄭州 450015)

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水下舷外發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

蘇 杭1，李四超2，趙 錚1

(1.南京理工大學(xué),能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094; 2.海軍駐鄭州地區(qū)軍代表室， 鄭州 450015)

采用基于ANSYS/LS-DYNA流固耦合仿真計(jì)算方法，對(duì)魚雷水下舷外發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)的有限元建模與仿真計(jì)算，得到了有艇速和無艇速下的水密隔膜轉(zhuǎn)角曲線以及發(fā)射筒底面積大小的變化和水密隔膜張開角度對(duì)魚雷運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。本文所采用的水密隔膜結(jié)構(gòu)在魚雷發(fā)射過程中不會(huì)造成干涉，可為以后相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究提供技術(shù)支持。

水下發(fā)射裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；LS-DYNA；數(shù)值模擬

水下發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)及其研究過程，對(duì)于提高魚雷、潛射導(dǎo)彈等武器的出水品質(zhì)具有很重要的意義。對(duì)于水下發(fā)射過程相關(guān)研究，周源[1]對(duì)潛射導(dǎo)彈的水中彈道進(jìn)行了仿真；田兵[2]對(duì)液壓蓄能式發(fā)射裝置內(nèi)彈道進(jìn)行了仿真；龔紅良[3]對(duì)導(dǎo)彈水中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究。

本文設(shè)計(jì)了一種魚雷水下弦外發(fā)射裝置，該裝置是在水壓平衡式發(fā)射裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。采用冷發(fā)射技術(shù)，魚雷在滑塊推動(dòng)下沿發(fā)射筒內(nèi)滑軌加速，沖破水密隔膜出筒。水密隔膜隨著魚雷的出筒過程，分成四瓣張開。由于魚雷與發(fā)射筒之間的間隙很小，筒外海水很難及時(shí)補(bǔ)充到彈底，造成較大的壓差阻力[4]，所以有必要在發(fā)射筒底開孔，使發(fā)射筒底部與舷外海水相通，因此，需要分析發(fā)射筒底開孔面積大小對(duì)魚雷速度的影響；另外，發(fā)射筒為多單元聯(lián)裝結(jié)構(gòu)，單元間距離較小，水密隔膜張開時(shí)空間范圍增大，因此，需要計(jì)算水密隔膜的最大張開角度，判斷發(fā)射過程中其是否會(huì)與臨近發(fā)射單元產(chǎn)生干涉。本文主要研究水密隔膜在發(fā)射過程中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，不考慮發(fā)射裝置的動(dòng)力問題及其影響。

1 計(jì)算模型的建立

本文的計(jì)算模型主要由水域、魚雷發(fā)射筒、水密隔膜和魚雷構(gòu)成。計(jì)算域后部為魚雷，魚雷前部為球冠，后部為空心的圓柱體，材料為鋼，模型質(zhì)量與實(shí)際魚雷質(zhì)量相同；魚雷前部為4瓣水密隔膜，扁球殼狀。由于工程需要，水密隔膜分為四瓣。水域?yàn)?50 m水深的海水，魚雷發(fā)射筒和水密隔膜將魚雷與水域分隔開，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。其中水域尺寸為R0.6 m×R0.6 m×8 m，魚雷發(fā)射筒尺寸為R0.4 m×R0.4 m×3.3 m。

圖1 計(jì)算模型示意圖

2 有限元分析模型的建立

流固耦合計(jì)算需要同時(shí)考慮流場(chǎng)沖擊和魚雷運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，包括流場(chǎng)計(jì)算，固體力學(xué)計(jì)算，耦合計(jì)算等，計(jì)算量較大，計(jì)算周期長(zhǎng)，因此需要對(duì)計(jì)算模型按工程要求進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提高計(jì)算速度。本系統(tǒng)的有限元模型由水、魚雷發(fā)射筒、水密隔膜和魚雷組成，有限元網(wǎng)格如圖2。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

水域采用歐拉網(wǎng)格建模，魚雷、水密隔膜、發(fā)射筒采用Solid單元建模[5]，采用接觸罰函數(shù)耦合算法[6]。邊界條件設(shè)置為：在水-結(jié)構(gòu)邊界，通過Euler/Lagrange罰函數(shù)耦合算法建立約束方程，將結(jié)構(gòu)與流體耦合，實(shí)現(xiàn)力學(xué)參量的傳遞[7]；采用轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)水密隔膜與發(fā)射筒的連接。為節(jié)約求解時(shí)間和計(jì)算量，取流場(chǎng)為一定范圍，并且將裝置放在流場(chǎng)的中心對(duì)稱位置[8]。對(duì)于外流場(chǎng)設(shè)置，模擬150 m水深時(shí)發(fā)射裝置所受的環(huán)境壓力[9]設(shè)置為1.5 MPa，在水域邊界面施加透射邊界約束，模擬無限水域；對(duì)于初始條件設(shè)置，魚雷以給定速度曲線運(yùn)動(dòng)，對(duì)整個(gè)發(fā)射裝置設(shè)定分為兩種情況：第一種情況設(shè)定發(fā)射裝置不動(dòng)；第二種情況設(shè)定發(fā)射裝置以恒定速度運(yùn)動(dòng)，即以一定的艇速運(yùn)動(dòng)。

3 水密隔膜破裂過程分析

基于 LS-DYNA 軟件的多物質(zhì) ALE 算法[10]，對(duì)魚雷發(fā)射過程進(jìn)行了三維有限元模擬，采用 LS-PREPOST 軟件對(duì) LS-DYNA 求解出的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理[11]。仿真過程中為了減少計(jì)算量，外流場(chǎng)只選取了離魚雷較近的部分。圖3為在魚雷發(fā)射過程中，水密隔膜在不同時(shí)刻下(t=0 s，0.03 s，0.08 s，0.13 s)的狀態(tài)變化圖?？梢钥闯鏊芨裟び煞忾]逐漸張開，使魚雷有空間出筒。

圖3 水密隔膜在不同時(shí)刻下的狀態(tài)

圖4是在結(jié)果文件中提取到的魚雷和水密隔膜的相對(duì)位置圖。正在出筒魚雷對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t=0.25 s。隨著時(shí)間的進(jìn)行，水密隔膜繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使魚雷出筒，水密隔膜與魚雷沒有直接接觸，沒有影響到魚雷出筒，此設(shè)計(jì)可行。

圖4 魚雷和水密隔膜在0.25 s的狀態(tài)

計(jì)算了4種出筒速度情況10.7 m/s，13.1 m/s，14.1 m/s和15.1 m/s時(shí)的水密隔膜的張開角度，作出水密隔膜轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 彈速不同時(shí)的水密隔膜轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線

由圖5可以看出，水密隔膜轉(zhuǎn)角先快速增大，后保持一定角度不變，當(dāng)魚雷出筒后，由于魚雷底部的低壓導(dǎo)致發(fā)射裝置產(chǎn)生振動(dòng)[12]，水密隔膜轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值，并且在狀態(tài)穩(wěn)定以后轉(zhuǎn)角保持不變。在不同的魚雷出筒速度情況下，水密隔膜最大轉(zhuǎn)角基本不變，大致為48.2°。

為了分析艇速對(duì)水密隔膜張開過程的影響，計(jì)算了四種艇速0 m/s，2 m/s，4 m/s和6 m/s下，水密隔膜轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線如圖6所示。

圖6 艇速不同時(shí)的水密隔膜轉(zhuǎn)角-時(shí)間曲線

由圖6可以看出，隨著艇速的增加，水密隔膜的最大轉(zhuǎn)角逐漸增加。由于魚雷的速度曲線相同，從而魚雷的受力相同，即魚雷給水密隔膜的作用力不變，而在有艇速情況下，水密隔膜受到外部海水的阻力作用，水密隔膜受到的動(dòng)力增大，因此最大轉(zhuǎn)角相比無艇速狀態(tài)大，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度也相比無艇速時(shí)大；魚雷出筒后由于此時(shí)水密隔膜還受到前進(jìn)方向水的阻力作用，出筒后的轉(zhuǎn)角波動(dòng)也更劇烈。

4 魚雷發(fā)射裝置發(fā)射筒筒底面積的影響

圖7 筒底面積所占比例不同時(shí)的速度-時(shí)間曲線

由圖7可以看出魚雷速度曲線的減小趨勢(shì)，由最初的劇烈和中期的振蕩后，轉(zhuǎn)為相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)發(fā)射筒底面積所占比值為100%時(shí)，魚雷速度明顯減小，這是由于在這種情況下魚雷發(fā)射筒全封閉，在魚雷出筒時(shí)魚雷前后方有較大的壓力差；當(dāng)發(fā)射筒底面積所占比例為0%，25%，50%時(shí)，相比較所占比例為75%的情況下，速度減小趨勢(shì)較小，只是由于在這三種情況下，發(fā)射筒開孔面積較大，魚雷前后壓力差較小，魚雷減速不明顯。

由經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)性角度，可以選擇發(fā)射筒底面積占發(fā)射筒底的最大截面積的比值為50%的方案為魚雷發(fā)射裝置的方案。

5 結(jié)論

1) 無艇速情況下，水密隔膜最大轉(zhuǎn)角為48.2°，不會(huì)與臨近發(fā)射單元產(chǎn)生干涉；不同艇速，相對(duì)魚雷出筒速度相同的情況下水密隔膜的最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度均隨著艇速的增大而增大，魚雷出筒后的轉(zhuǎn)角波動(dòng)也更劇烈。

2) 發(fā)射筒底面積對(duì)魚雷速度降低過程有所影響，并在筒底面積與發(fā)射筒最大面積之比為0，25%，50%時(shí)，魚雷出筒后的減速趨勢(shì)較小。從經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)性角度出發(fā)，可選擇發(fā)射筒底面積占比為50%。

3) 由于在建模的過程中考慮到了實(shí)際情況，尤其是海水水壓和水密隔膜的作用，可以為水密隔膜結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，也可以為魚雷發(fā)射裝置設(shè)計(jì)提供參考。下一步設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水密隔膜實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)于魚雷和發(fā)射裝置的影響。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Structural Design and Numerical Simulation of Outboard Underwater Launcher

SU Hang1, LI Sichao2, ZHAO Zheng1

(1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. The Navy’s Military Representative Office in Zhengzhou 450015, China)

Targeted on outboard launcher device, based on ANSYS/LS-DYNA fluid-structure coupling simulation calculation method, through the finite element modeling and simulation of torpedo launcher underwater structure, the angle curve of watertight diaphragm with and without submarine speed and the influence of torpedo launcher change are obtained; At the same time, through the analysis of the angle of watertight diaphragm in the launch process, it can be obtained that the watertight diaphragm structure does not cause interference effects, therefore it can provide technical support and theoretical basis for later related structure design research.

underwater launcher; structure design; LS-DYNA; numerical simulation

10.11809/scbgxb2017.07.015

2017-03-21；

2017-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(11302106)

蘇杭(1994—)，男，碩士研究生，主要從事巖土工程穩(wěn)定性與防災(zāi)減災(zāi)研究；李四超(1977—)，男，工程師，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)研究。

趙錚(1979—)，男，副教授，主要從事沖擊動(dòng)力學(xué)研究。

format:SU Hang, LI Sichao, ZHAO Zheng.Structural Design and Numerical Simulation of Outboard Underwater Launcher[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):71-73.

TJ63+5

A

2096-2304(2017)07-0071-03

本文引用格式：蘇杭，李四超，趙錚.水下舷外發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):71-73.