水下載荷對垂直發(fā)射潛航器結(jié)構(gòu)影響仿真研究

李玉杰，劉文一

（中國人民解放軍91550部隊41分隊，遼寧 大連 116023）

采用垂直方式在水下發(fā)射潛航器時，由于潛航器的運動方向與橫向水流的運動方向存在夾角，使?jié)摵狡魇艿綑M向來流的作用。一方面橫向流在潛航器的橫截面上產(chǎn)生了剪力和彎矩，直接影響到潛航器的結(jié)構(gòu)強度；另一方面橫向流使?jié)摵狡鞯淖藨B(tài)發(fā)生變化。潛航器水下垂直發(fā)射過程中，其各個關(guān)鍵截面的載荷時刻發(fā)生變化，若某個截面的結(jié)構(gòu)強度較弱，則潛航器結(jié)構(gòu)有可能因結(jié)構(gòu)被破壞而造成發(fā)射失敗，因此有必要研究水下載荷對垂直發(fā)射潛航器結(jié)構(gòu)強度的影響。

1 壓力場計算

1.1 計算域

用截面法來計算，先在 Gambit軟件中建立計算模型，Gambit是面向CFD分析的高質(zhì)量前處理器，其主要功能包括幾何建模和網(wǎng)格生成。計算域?qū)?0 m，長100 m，如圖1所示。

圖1 計算域網(wǎng)格Fig.1 Computational domain grid

潛航器在水中垂直發(fā)射，可以看作是圓柱繞流問題。根據(jù)模型的特性，選擇Fluent軟件作為求解器。Fluent是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用 CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設(shè)計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件。

將計算模型導入流體計算軟件Fluent中計算，計算中應(yīng)用了Karama漩渦模型，流動為定常流動。

1.2 邊界條件

計算中圓柱截面的邊界條件可根據(jù)潛航器在水中不同時刻受到水動力的大小來取值，計算中設(shè)定流動為定常流動，即：計算域中入口條件為VELOCITY_INLET，出口條件為OUTFLOW。計算中取水深3H，潛航器水平運動速度為6 km/h。

1.3 流體計算結(jié)果

計算得到了發(fā)射后3H深度時，潛航器周圍流體的速度和壓力分布，如圖2所示。

圖2 速度和壓力分布Fig.2 Velocity and pressure distribution: a) velocity distribution in computational domain; b) velocity distribution of fluid around the underwater vehicle; c) pressure distribution in calculation domain; d) distribution of fluid pressure around the underwater vehicle

從圖2a、b可以看出，由于潛航器存在橫向運動，從而造成航行器兩側(cè)流體速度最快，受Karama漩渦影響，潛航器背水面速度最低。同樣，從圖2c、d可以看出，航行器迎水面比背水面壓力高，兩側(cè)壓力較小。相同于3H深度的計算，分別計算在2H和H深度潛航器周圍的流體分布情況，并將計算結(jié)果作為橫向載荷邊界條件導入MSC. Nastran有限元分析軟件，進行載荷計算。

MSC. Nastran是世界CAE工業(yè)標準及最流行的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，MSC. Nastran的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能項。其主要功能模塊有：基本分析模塊、動力學分析模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設(shè)計靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。

2 載荷計算

2.1 計算模型

在前處理軟件里建立了航行器的實體模型，采用IsoMesh網(wǎng)格劃分器劃分了網(wǎng)格，采用Quad型網(wǎng)格，這樣劃分的目的是為了設(shè)置網(wǎng)格大小，并控制疏密度。共劃分 772個單元，1429個節(jié)點。潛航器的實體模型和有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 潛航器幾何模型及有限元模型Fig.3 Geometric model and finite element model of the underwater vehicle

2.2 計算方法

潛航器在水中運動時，不受任何約束，可視為6自由度自由。此時對它施加邊界條件不能用Displacement約束，而應(yīng)該用到Nastran的高級功能：Inertia Relief，即慣性釋放。

有兩種方法可以實現(xiàn)慣性釋放：第一種是在數(shù)據(jù)段中寫入“PARAM，INREL，-1”語句，并對SUPORT卡片進行修改；第二種方法是使用自動慣性釋放，在數(shù)據(jù)段中寫入“PARAM，INREL，-2”，不寫SUPORT卡片，MSC.NASTRAN自動選擇SUPORT約束的自由度。文中采用第二種方法。

在選取 Load/BCs后，分析 Deck文件，生成Nastran的輸入文件：*.bdf，手動提取*.bdf文件后，在文件中填入控制語句。

2.3 邊界條件

潛航器頂部邊界條件：海水壓力，隨水深變化而變化；潛航器底部邊界條件：底部燃氣壓力，距離海平面越近，燃氣壓力越??；橫向邊界條件：給定深度，流體分析軟件計算得到的潛航器周圍的壓力場分布。

3 結(jié)果及分析

計算潛航器發(fā)射后距離海平面3H、2H、H三個深度潛航器在外壓載荷下的變形、應(yīng)變和應(yīng)力以及H時刻的彎矩。

3.1 變形量

仿真計算得到了潛航器在水深3H、2H、H深度的變形云圖，如圖4所示。由圖4對比可以看出，隨著潛航器距離海平面越來越近，潛航器的最大變形量逐漸減小。3H、2H、H深度潛航器的最大變形量分別為 5.12×10-5、4.88×10-5、1.6×10-5m。出現(xiàn)最大變形量的位置也發(fā)生了較大變化，3H深度時潛航器頭部部位被壓至潛航器內(nèi)部，最大變形位置亦出現(xiàn)在該處；2H深度時頭部也被擠壓，但沒有3H深度時嚴重，最大變形位置亦出現(xiàn)在該處；H時刻頭部也被擠壓，但遠遠沒有3H深度和2H深度時嚴重。

圖4 不同深度潛航器的變形量Fig.4 Deformation of underwater vehicle at different depths

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因為：隨著潛航器在水中的深度變小，加速度和速度變小，水對潛航器的壓力載荷也變小，這是造成潛航器變形變小的原因之一；潛航器發(fā)射后，潛航器尾部雖然已經(jīng)不受潛航器彈射燃氣和水蒸氣的壓力載荷，但是隨著這個載荷的消失，潛航器要釋放潛航器射燃氣和水蒸氣擠壓的壓縮能，能量的釋放不是瞬態(tài)的，因此隨著時間的推移，頭部的變形逐漸減小。

3.2 應(yīng)力與應(yīng)變

仿真計算得到了潛航器在水深3H，2H和H深度的應(yīng)力和應(yīng)變，如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出，潛航器的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在頭部。隨著時間推移，潛航器的應(yīng)變逐漸減小。其原因是水對潛航器的壓力載荷減小，導致潛航器彈射壓力消失。H深度時，在潛航器的中間位置出現(xiàn)了較大應(yīng)變，如圖5c所示。結(jié)合圖4來看，潛航器的彎曲變形程度隨著潛航器的上升而變大，潛航器受到的彎矩亦變大。出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是由于潛航器在水中并非垂直于水平面飛行，而是與水平面有一定夾角。這樣，潛航器在垂直和平行與水平面的方向上有加速度分量，亦為有力的分量。隨著時間的推移，這個力逐漸積累，從而造成在H深度時，潛航器受到彎矩最大，在潛航器的中間位置出現(xiàn)了較大應(yīng)變。

圖5 不同深度潛航器應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of underwater vehicle at different depths

圖6 不同深度潛航器應(yīng)變云圖Fig.6 Strain nephogram of underwater vehicle at different depths

由圖6可以看出，隨著潛航器上升，其受到的應(yīng)力逐漸減小，并且與其對應(yīng)深度的應(yīng)變具有一致性。這也是水對潛航器的壓力載荷減小，潛航器彈射壓力消失的的結(jié)果。潛航器在H深度時，潛航器的中間位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。從理論力學的角度分析，彎矩最大的地方也是應(yīng)力集中的地方，從而驗證了計算結(jié)果與經(jīng)典理論具有良好的一致性。

由于H深度時潛航器的中間位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此有必要對這個時刻受到的剪切力進行計算。圖 7為計算得到的H深度時潛航器剪切力的計算結(jié)果，潛航器所受的最大剪切力為6.78×105N，位置出現(xiàn)在頭部，中間部位的剪切力為1.43×105N。

圖7 H深度潛航器剪切力分布Fig.7 Shear force distribution of underwater vehicle at H depth

4 結(jié)論

通過對潛航器發(fā)射后距水面3H、2H和H時周圍流場壓力和所受載荷的計算，得出這些時刻下潛航器的變形、應(yīng)變、應(yīng)力以及深度H時的彎矩，得到以下結(jié)論。

1）深度為3H、2H和H時，潛航器的最大變形量分別為 5.12×10-5、4.88×10-5、1.6×10-5m。出現(xiàn)最大變形量的位置發(fā)生了較大變化，深度3H時，頭部被壓至潛航器內(nèi)部，最大變形位置亦出現(xiàn)在被壓縮的最深處；深度2H時頭部也被擠壓，但沒有3H深度時嚴重，最大變形位置亦出現(xiàn)在被壓縮的最深處；深度H時頭部也被擠壓，但遠遠沒有上兩個計算時刻嚴重。

2）隨著潛航器向上運動，其加速度和速度變小，水對潛航器的壓力載荷也變小，這是造成潛航器變形逐漸變小的原因之一。

3）潛航器發(fā)射后，尾部雖然已經(jīng)不受潛航器射燃氣和水蒸氣的壓力載荷，但是隨著這個載荷的消失，潛航器要釋放潛航器射燃氣和水蒸氣擠壓的壓縮能，能量的釋放不是瞬態(tài)的，因此隨著時間的推移，頭部的變形逐漸減小。

4）在H深度時，潛航器的中間部位出現(xiàn)了較大應(yīng)變，對比深度3H、2H和H的變形云圖，潛航器的彎曲程度隨著潛航器的上升而變大。在彎矩、剪切力和沿潛航器軸壓力載荷的作用下，潛航器的中間部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且受到了較大的剪切力。在這些外力的共同作用下，潛航器的中間受到的載荷最大，假如這個部位的材料強度較弱，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計有缺陷的話，潛航器有可能在這個部位被破壞。