入水冲击问题研究的现状与进展

  目的   舰船与水砰击、空投鱼雷和飞机水上迫降时,结构物在与水砰击的过程中会受到较大的冲击载荷影响。对于舰船,它会严重影响船体结构和内部器件的功效以及舰员安全。为研究舰船与水砰击的问题,  方法   以楔形和弧形体为研究对象,使用自行设计的装置进行入水冲击试验,通过加速度计和PVDF压电传感器分别测量冲击过程的加速度和冲击压力。重点关注空腔的影响,基于楔形体和空腔空气仿真模型,采用ALE方法对不同入水工况下的加速度和压力响应进行仿真分析,并与试验结果进行比较。  结果   分析表明：数值仿真结果与试验结果吻合较好,结构密闭空腔对加速度信号有重要影响;密闭空腔对弧形体的影响程度高于楔形体,对弹性体的加速度几乎没有影响,结构表面形状对入水冲击压力的影响较大。  结论   研究结果可以为入水结构的设计和结构冲击防护提供技术支撑。     

高速入水弹体结构冲击仿真研究

低空高速投放弹体能够具有很强的隐蔽性和快速攻击性,但是随之带来了弹体机械结构抗冲击问题。该文针对高速投放入水过程中弹体结构冲击问题进行了仿真研究。首先根据对弹体建立三维实体模型,包括其内部各机械电子以及装药部件的等效配置。然后采用大型流固耦合仿真软件Dytran进行入水冲击过程动态仿真。最后通过分析仿真结果数据得到几点有益的结论,为入水冲击弹体壳体以及内部机构抗冲击设计提供有价值的参考。     

试论鱼雷入水问题

本文探讨了入水问题研究的背景、基本问题和学科结构,介绍了百年多来研究工作的进程,阐秋了入水技术开发的内容及其重要性。试图阐明这一学科发展的趋向和研究途径。指出创造必要的实验条件,探求合乎科学事实的数据“模型”,开发适用的新材料、新构造和新技术原理,是现代鱼雷入水问题研究的关键。     

带空腔圆柱结构入水射流冲击实验研究

入水问题是一个极为复杂的流固耦合问题,一般的数值手段很难进行完整的模拟,而实验手段则能够完整、准确地观测到结构入水的一系列复杂现象。本研究以实际导弹尾部出现的空腔结构为研究背景,以高速摄影技术为手段,设计多组实验,探究空腔结构参数对于入水砰击过程的影响。通过不同模型实验的对比,得到入水过程中空腔直径和空腔深度对于抨击射流的形成、冲击位置、腔内气体排出规律及自由液面飞溅等现象的影响规律。     

带空腔圆柱结构入水射流冲击实验研究

入水问题是一个极为复杂的流固耦合问题,一般的数值手段很难进行完整的模拟,而实验手段则能够完整、准确地观测到结构入水的一系列复杂现象.本研究以实际导弹尾部出现的空腔结构为研究背景,以高速摄影技术为手段,设计多组实验,探究空腔结构参数对于入水砰击过程的影响.通过不同模型实验的对比,得到入水过程中空腔直径和空腔深度对于抨击射流的形成、冲击位置、腔内气体排出规律及自由液面飞溅等现象的影响规律.     

空投水下滑翔机入水冲击载荷研究

因水下滑翔机内部结构精密,空投入水瞬间水下滑翔机的外壳和内部结构会受到巨大的冲击,直接造成水下滑翔机的损坏。针对上述问题,借助STAR-CCM+软件,采用重叠网格方法和VOF多相流模型,分析水下滑翔机的入水过程,计算不同姿态下的水下滑翔机入水时径向力、轴向力和速度变化,同时考虑水下滑翔机外形结构特点,对水下滑翔机外形结构进行减载优化。仿真结果表明：随入水攻角增大,水下滑翔机受到的径向力作用效果大于轴向力;随入水速度的增大,水下滑翔机入水冲击载荷增加。同时,首部导流罩采用较大长短轴比的椭圆曲线,翼板采用折叠翼、柔性翼等折叠结构能够具有明显减载效果。本文研究成果可为水下滑翔机空投条件选择和空投入水结构优化提供参考。     

基于ALE方法的平底结构入水冲击动力特性研究

结构冲击入水作为一种典型的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域,特别是作为海洋平台简化模型的平底结构有着重要的工程应用背景和学术研究价值。本文采用ALE算法对二维弹性平底结构等速冲击入水过程进行数值模拟和分析,分别采用Lagrange单元和Euler单元来表征结构和流体,并通过耦合算法实现对流固耦合过程的模拟,分别讨论不同质量、刚度及入水速度情况下空气垫现象对结构底部压力的影响。计算结果表明,平底结构入水冲击过程中,底部边缘处压力最先达到峰值,随后沿宽度方向向中心依次出现压力峰值,且结构等速冲击入水后的运动为自由振动。冲击压力的峰值随结构质量及刚度的增大而增大,同时冲击压力峰值与速度呈线性关系,随速度的增大而增大,底部斜升角对冲击压力峰值的影响十分显著。通过上述研究为工程应用中的结构强度设计提供重要依据。     

基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术

本文针对入水冲击压力测试问题展开研究,自行设计了基于PVDF压电薄膜的传感器和用于标定该传感器的立式Hopkinson压杆标定系统,对PVDF压电薄膜传感器进行标定。在此基础上进行入水冲击压力测试试验,测得了不同入水速度下的入水冲击压力,并结合数值计算的结果对试验数据进行了对比验证,基本验证了基于PVDF压电薄膜的入水冲击压力测试技术的可行性。本文研究成果可以为射弹入水冲击压力的预报及测试提供一种技术手段,为结构设计提供一定基础。     

三维刚体椭圆头结构高速倾斜入水冲击模拟

分析结构入水抨击载荷的非线性问题,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立三维刚体椭圆头结构入水模型,采用软件中的ALE算法,研究结构以不同入水角度和入水速度高速倾斜入水时,结构在入水初期所遭受的冲击压力峰值,得到不同条件入水时的压力峰值曲线,同时观察到在冲击入水初期自由液面的变化和伴随现象。     

基于ABAQUS显式CEL方法的球体入水数值研究

文章针对球体入水过程,采用显式动力学CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis)方法,对球体入水空泡的演化、发展过程进行了模拟。CEL方法在入水、特别是低速入水模拟过程中,由于无约束自由面边界的影响,需对水介质的体积模量进行修正,进而通过与球体入水实验入水弹道数据的对比,表明CEL方法在流固耦合数值求解中的有效性。最后,提出了显式动力学数值求解入水冲击载荷在采样频率、欧拉-拉格朗日接触的网格离散,以及整体网格离散精度控制方面应遵循的基本原则。     

弹体入水冲击载荷特性分析

对由MSC.Dytran仿真计算得到的2种不同初始速度入水弹体入水冲击载荷进行了平稳性检验、功率谱、冲击响应谱、高斯特性、高阶统计等特征分析.研究表明,水雷入水冲击载荷是平稳信号并且为非高斯分布,速度是影响冲击载荷信号的主要因素,为弹体抗冲击总体设计提供依据.     

着速和着角对水雷入水过载影响的数值仿真分析

为了研究高速水雷入水时受到的过载情况,采用流固耦合仿真软件MSC-Dytran,对水雷击水问题进行数值模拟仿真研究。分别计算了不同入水情况下雷体指定部位的加速度响应随时间的变化。仿真结果表明水,雷冲击载荷随入水速度的增大而迅速增大,入水速度是水雷受到的冲击载荷大小的主要影响因素。对新型水雷的结构设计、引信的设计、水雷装药的安全性设计以及其他元器件的抗冲击设计提供有价值参考。     

头部形状对水雷入水载荷及水下弹道影响的数值仿真分析

为了研究不同形状雷头对水雷入水过载及水雷水下弹道的影响,利用流固耦合仿真软件对半球形、锥形、斜锥形、平头半球形水雷击水问题进行数值模拟仿真研究,计算了4种不同雷头形状水雷入水时头部加速度和速度响应随时间的变化.通过研究表明,斜锥形能有效降低水雷入水时受到的载荷,对新型水雷的结构设计、引信的设计、水雷装药的安全性设计及其他元器件的抗冲击设计提供有价值参考.     

反潜导弹空中末弹道及入水控制问题研究

基于反潜导弹空中飞行和入水跟踪的安全性可靠性要求,从空中末弹道的阶段划分、开伞前的弹道控制、降落伞拉直和充气时的物理过程、弹伞系统空间弹道及控制等方面,分析了反潜导弹空中末弹道的物理过程与控制技术,总结了降落伞增阻减速的能量方程以及雷伞系统空间弹道方程的基本动能公式;从外载荷和冲击环境、导弹结构动响应分析、导弹结构动响应分析、导弹冲击稳定性、导弹入水缓冲技术等方面阐述了反潜导弹(鱼雷)入水及缓冲的关键技术和典型部件,为反潜导弹的设计与使用提供理论依据。     

大姿态角入水时的鱼雷半实物仿真方法研究

通常在采用立式三轴转台进行鱼雷入水时的控制系统仿真时;当鱼雷俯仰角大于-70°时,控制系统半实物仿真中会出现发散,当鱼雷俯仰角为±90°时,立式三轴转台的内环轴与外环轴重合,无法提供3个自由度的运动,致使鱼雷姿态仿真无法进行,导致仿真试验失败。本文分析传统欧拉角法缺陷,合理定义欧拉角以及设置转台的角速率限幅值和角加速度限幅值,可以实现大姿态控制系统的半实物仿真,并结合某产品进行仿真试验和分析,对大姿态角入水下的半实物仿真具有参考价值。     

基于LBM方法的圆盘等速入水空泡的数值模拟

采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究.该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响.模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系.数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性.     

基于VOF的物体入水-下潜过程数值模拟

漂浮物体在取水口附近入水后可能会下潜至涵道,为数值研究其入水-下潜过程,基于计算流体力学模型中的VOF法,并结合动网格方法,首先构建了不同密度圆柱体的自由入水以及出水过程,验证了物体出入水过程造成的射流、入水深度及物体速度变化;其次结合二维明渠的取水过程模拟了不同初始动量条件下圆柱体的入水-下潜过程。结果表明:文章建立的入水-出水数值模型可很好地刻画二维圆柱体入水及出水的具体过程,且初始动量大小是圆柱体在入水后能否下潜至取水涵道的关键因素,数值结果为判断取水口附近物体入水后的下潜风险提供了分析依据。     

基于CEL方法的射弹高速入水数值研究

针对超空泡射弹火炮武器在航空反水雷作战中的应用,本文基于耦合欧拉—拉格朗日(CEL)方法对射弹高速入水过程进行了数值模拟,重点对入水空泡的捕捉精度问题进行了研究。对于平头射弹而言,采用刚体壳单元进行几何离散、求解,由于双侧接触问题会使入水空泡的捕捉失真。基于对壳单元双侧接触形成机理的分析,获得了改善射弹高速入水空泡捕捉精度的方法。通过射弹入水后的超空泡形态与试验、理论研究结果的对比,表明了CEL方法对高速入水数值求解的有效性;进而通过射弹带攻角垂直入水尾拍过程的数值模拟,捕捉到了与水下发射试验相近的空泡不连续演化特征。最后,对数值模拟得到射弹尾拍载荷特性、射弹尾拍航行状态下姿态偏转角速度变化的分析表明,射弹尾拍对其水下弹道性能有重要影响。