水下舷外發(fā)射水密隔膜運動特性數(shù)值仿真研究

吳明晨，蘇 杭，趙 錚

(1.中船重工713研究所六室， 河南 鄭州 450052； 2.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

水下發(fā)射裝置的研究及其設(shè)計，對于提高魚雷、潛射導(dǎo)彈等武器的出水品質(zhì)具有十分重要的意義。對于有關(guān)彈丸的水下發(fā)射過程的研究，李亞男[1]通過建立熱力學(xué)模型，對小型運載器的彈丸發(fā)射過程進行了仿真；李志華[2]通過建立魚雷的運動方程，作出了魚雷的彈道曲線，并確定魚雷不會產(chǎn)生很大的袋深現(xiàn)象；程廣濤[3]對水下發(fā)射系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模，確定了發(fā)射過程中發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)和武器運動參數(shù)。

水下發(fā)射的主要困難在于整流罩和耐壓殼之間的空間狹小，對發(fā)射裝置水密隔膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高，水密隔膜在張開或散布過程中不能與鄰?fù)舶l(fā)生干涉。目前水下發(fā)射裝置水密隔膜多采用不系留方式，即水密隔膜破裂后與發(fā)射筒分離。該方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，但無法控制水密隔膜破片的散布范圍，在多筒同時發(fā)射或小間隔發(fā)射時隔膜破片容易碰撞鄰?fù)矎楏w。本文設(shè)計了一種水下弦外發(fā)射水密隔膜系留結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)軸連接水密隔膜和發(fā)射筒，使破裂后的水密隔膜系留在發(fā)射筒上，控制隔膜翻轉(zhuǎn)角度避免與鄰?fù)舶l(fā)生干涉。

由于發(fā)射筒為多單元聯(lián)裝結(jié)構(gòu)，單元間距離較小，水密隔膜在張開過程中所占據(jù)的空間逐漸增大，因此，需要計算在不同發(fā)射條件下，水密隔膜的最大張開角度。本文主要研究水密隔膜在發(fā)射過程中的運動特點，不考慮發(fā)射裝置的動力部分及相關(guān)影響。

1 計算模型的建立

本文所研究的水下舷外發(fā)射裝置由發(fā)射筒、水密隔膜、滑塊滑軌、動力系統(tǒng)和彈體組成?；瑝K位于彈體尾部，動力系統(tǒng)推動滑塊使彈體沿滑軌在發(fā)射筒內(nèi)加速運動，彈頭沖破水密隔膜后彈體發(fā)射出筒。計算模型由水域、魚雷、魚雷發(fā)射筒、水密隔膜和相對應(yīng)安裝在發(fā)射筒上的鉸鏈轉(zhuǎn)軸所組成。

計算域后部為魚雷，魚雷前部為球冠，后部為空心的圓柱體，材料為鋼，模型質(zhì)量與實際魚雷質(zhì)量相同；魚雷前部為四瓣水密隔膜，材料為有機玻璃，扁球殼狀；水域為給定水深的海水；魚雷發(fā)射筒和水密隔膜將魚雷與水域分隔開；自行設(shè)計鉸鏈轉(zhuǎn)軸機構(gòu)，在Solid Edge軟件環(huán)境下進行建模，其結(jié)構(gòu)模型圖如圖1，計算域模型如圖2。

圖1 鉸鏈轉(zhuǎn)軸模型三視圖及三維圖

圖2 計算域示意圖

2 有限元分析模型的建立

流固耦合計算需要同時考慮流場沖擊和彈丸運動的相互作用，包括流場計算、固體力學(xué)計算、耦合計算等。在保證計算精度的條件下，需要對計算模型簡化，以減少計算時間，提高計算速度。

采用cm-g-μs單位制對計算域進行建模，本系統(tǒng)的有限元模型由水域、魚雷發(fā)射筒、水密隔膜、彈丸和鉸鏈轉(zhuǎn)軸組成。經(jīng)過ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分后，得到鉸鏈轉(zhuǎn)軸的有限元網(wǎng)格如圖3，整個計算域的有限元網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 鉸鏈轉(zhuǎn)軸網(wǎng)格三視圖及三維圖

圖4 計算域網(wǎng)格

其中水介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格建模， GRUNEISEN狀態(tài)方程[4]；彈丸、發(fā)射筒和鉸鏈轉(zhuǎn)軸均為鋼材料，采用拉格朗日網(wǎng)格建模，MAT_JOHNSON_COOK材料模型[5]；水密隔膜采用有機玻璃材料，采用MAT_ELASTIC彈性材料模型[6]。計算中采用的水介質(zhì)和發(fā)射裝置的材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表1、表2所示，未給出的參數(shù)取 LS-DYNA軟件和工程實踐中的默認值。

表1 不同模型的材料參數(shù)

表2 水介質(zhì)的材料參數(shù)

約束設(shè)置與接觸設(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，將發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)與水域流體進行耦合計算[7]；采用轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)水密隔膜與發(fā)射筒的連接，鉸鏈轉(zhuǎn)軸的固連面采用面面固連接觸，接觸面采用自動面面接觸。為節(jié)約求解時間和計算量，將發(fā)射裝置放在流場的中心對稱位置。對于外流場設(shè)置，通過定義不同的水深-密度曲線間接模擬不同水深時的環(huán)境壓力[8]；在水域邊界面施加透射邊界約束，模擬無限水域。

對于初始條件設(shè)置，設(shè)定彈丸以給定速度曲線運動；設(shè)定發(fā)射裝置以恒定速度運動，即以一定的艇速運動。

對于控制設(shè)置，為了避免沙漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，采用沙漏控制語句*CONTROL_HOURGLASS，在語句中的默認沙漏系數(shù)為0.03；*CONTROL_TIMESTEP控制語句的時間步長比例因子為0.9，有效的防止了負體積的產(chǎn)生；基本計算時間為0.6 s，每隔0.6 ms輸出一個d3plot結(jié)果文件。

3 水密隔膜破裂過程分析

通過基于 LS-DYNA程序的多物質(zhì)ALE 算法[9]，對魚雷發(fā)射過程進行了三維有限元模擬，并采用 LS-PREPOST 軟件對 LS-DYNA 求解后得到的d3plot文件進行后處理[10]。在仿真過程中，為了減少計算量，外流場只選取了離彈丸較近的部分。

圖5為在發(fā)射過程中，發(fā)射裝置在不同時刻下(t=0 s，0.10 s，0.15 s，0.20 s)的狀態(tài)變化圖。由圖5可以看出，隨著時間的進行，水密隔膜繞著鉸鏈轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而水密隔膜由封閉狀態(tài)緩慢張開，使彈丸有空間出筒。在發(fā)射過程中水密隔膜與彈丸沒有直接接觸。

4 不同發(fā)射條件下的水密隔膜轉(zhuǎn)角變化

4.1 不同彈速條件下的影響

計算了不同彈速條件、水深150 m、無艇速條件下，水密隔膜的轉(zhuǎn)動角度隨時間的曲線，如圖6。

由圖6可以看出，水密隔膜轉(zhuǎn)角先在t=0.2 s左右快速增大，后保持一定角度不變，當(dāng)彈丸出筒后，由于彈丸尾部產(chǎn)生的低壓區(qū)造成較大的壓差阻力[11]，因此在發(fā)射裝置外部有海水補入，導(dǎo)致發(fā)射裝置產(chǎn)生振動[12]，水密隔膜轉(zhuǎn)角達到最大值，并且在狀態(tài)穩(wěn)定以后轉(zhuǎn)角保持不變。在不同的彈速條件下，水密隔膜的轉(zhuǎn)角曲線趨勢相同，且最大轉(zhuǎn)角基本保持不變，大致為48°。

圖5 發(fā)射裝置及彈丸在不同時刻下的狀態(tài)圖

圖6 彈速不同時的水密隔膜轉(zhuǎn)角-時間曲線

4.2 不同水深條件下的影響

計算了不同水深條件、彈速12 m/s、無艇速條件下，水密隔膜轉(zhuǎn)角隨時間的曲線如圖7。

圖7 不同水深條件下的水密隔膜轉(zhuǎn)角曲線

由圖7可以看出，不同水深條件下，水密隔膜轉(zhuǎn)角曲線的趨勢及峰值均相同，因此可以確定，不同水深條件對水密隔膜轉(zhuǎn)角基本沒有影響。

4.3 不同艇速條件下的影響

圖8是在水深150 m、彈速12 m/s、不同艇速條件下的水密隔膜轉(zhuǎn)角隨時間的曲線圖。

圖8 艇速不同時的水密隔膜轉(zhuǎn)角-時間曲線

將其與圖7所示的無艇速條件下水密隔膜轉(zhuǎn)角曲線相對比后可以看出：

在t=0-0.15 s左右的運動起始階段，由于發(fā)射裝置有艇速，彈丸實際速度比無艇速時大，因此在相同時間下，彈丸所推動的水的體積也相對增大，水密隔膜轉(zhuǎn)角速度相比無艇速時明顯增加；在t=0.15-0.45 s，為彈身出筒階段，由于彈丸的實際速度為艇速加上推力所造成的速度，彈丸給水密隔膜的力也會相對增大，因此其在48°時，水密隔膜仍會繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當(dāng)其轉(zhuǎn)動到61°左右，水密隔膜在軸向保持相對平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)角在61°左右基本不變；在t=0.45～0.6 s，彈丸已出筒，由于發(fā)射筒內(nèi)需要海水的補入，因此水密隔膜轉(zhuǎn)角會有一定程度的振蕩，振蕩過后基本保持穩(wěn)定。整個發(fā)射過程中，水密隔膜轉(zhuǎn)角的最大值為61°。

5 結(jié)論

1) 在給定不同彈速條件下，水密隔膜轉(zhuǎn)角先迅速增加，后基本不變，隨后由與彈丸出筒時產(chǎn)生的振蕩達到峰值并有所回落，水密隔膜在發(fā)射過程中的最大轉(zhuǎn)角為48°；

2) 在給定不同水深條件下，水密隔膜轉(zhuǎn)角曲線基本不變，最大轉(zhuǎn)角為48°；

3) 在給定艇速條件下，水密隔膜轉(zhuǎn)角速度相比無艇速時有所增大，在轉(zhuǎn)動61°左右時，水密隔膜在軸向達到相對平衡狀態(tài)，并且在達到最大轉(zhuǎn)角之后，轉(zhuǎn)角曲線基本保持穩(wěn)定，整個發(fā)射過程中水密隔膜的最大轉(zhuǎn)角為61°。

由于在建模的過程中考慮到了水密隔膜的安裝方式，和海水水壓的作用，可以為水密隔膜結(jié)構(gòu)模型設(shè)計提供一定指導(dǎo)，也可以為魚雷發(fā)射裝置設(shè)計提供參考。下一步設(shè)計應(yīng)考慮水密隔膜實際結(jié)構(gòu)對于發(fā)射裝置的影響。

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