空投沉底航行体入水和触底过程仿真研究

【摘要】本文基于ANSYS/LS_DYNA软件，对某空投沉底水下航行体以大倾斜角高速入水过程以及航行体触底过程进行了仿真研究。通过对航行体入水和触底时的过载研究，对航行体结构强度设计提供了依据；通过对航行体入水时的姿态研究，对航行体的布放方案设计提供了指导意见，对入水后的水下弹道设计也具有重要的参考意义。

【关键词】空投；航行体；入水；LS-DYNA

1.引言

现代海战中水下对抗愈演愈烈，为提高水中兵器部署的快捷性和隐蔽性，采用空投部署方式越来越普遍。采用空投方式部署的水下兵器，特别是沉底的水下兵器，在结构强度上，面临着入水和触底的双重考验。航行体在入水过程中受到巨大的流体作用力，过大的入水载荷将导致结构破坏和内部零件失灵，且流体载荷会改变航行体的运动状态，对水下弹道带来巨大影响，从而影响部署的位置精度。航行体触底时，由于海底情况复杂，当遇到硬质海底时，航行体与海底发生剧烈碰撞，并会产生弹跳。由于流体的存在，水下碰撞有别与空气中的碰撞。因此，研究空投沉底水下航行体的入水和触底过程对提高航行体系统可靠性具有重要意义。

进行入水冲击和水下碰撞试验耗资巨大操作困难，且试验数据也未必可靠。随着计算机技术和有限元技术的发展，计算速度和计算精度已经得到极大提高，利用有限元方法对此类的瞬态动力学进行仿真分析，能极大提高研究工作效率节约研究成本缩短研究周期。当前，诸多专业仿真软件在研究入水、碰撞等复杂的非线性动力学分析中得到了广泛的应用，诸如LS-DYNA、MSC.Dytran、ABQUS等，大量用户的仿真结果与试验结果一致程度较高[1-3]，对产品的前期设计以及结构改进、优化等提供了重要的指导意见。在此背景下，本文选用ANSYS/LS-DYNA，对某空投沉底水下航行体的入水和触底过程进行了仿真研究，以得到航行体在不同工况下入水和触底的过载和运动状态，为航行体的结构设计、布放方案提供指导意见。

2.LS-DYNA算法介绍

2.1 接触碰撞的基本算法

LS-DYNA程序处理接触-碰撞主要采用三种不同的算法，即节点约束法、对称罚函数法和分配参数法。节点约束法仅用于固连界面，分配参数法仅用于滑动界面，对称罚函数法是最常用的算法[4]。根据三种不同算法的特点，本文选用对称罚函数法。

不同结构可能相互接触的两个表面分别称为主表面和从表面。对称罚函数法每一时步先检查各从节点是否穿透主表面，没有穿透则对该从节点不做任何处理，如果穿透，则在该从节点与被穿透的主表面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主片刚度成正比，称为罚函数值，它的物理意义相当于在从节点和被穿透主表面之间放置一个法向弹簧，以限制从节点对主表面的穿透。

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几种[4]：

1）合并流体和结构的界面节点。该方法网格划分时流体网格与结构网格在界面处有相同的密度，节点数及位置相同。

2）接触算法。结构和流体在界面处有各自的边界面，可以划分不同密度的网格，在流体和结构之间需要定义接触滑移面，这与碰撞接触类型定义相同。

3）ALE算法。该方法结构与流体几何模型以及网格可以重叠在一起，计算中通过约束方法将两者耦合在一起，以实现力学参量的传递，是真正意义上的流固耦合。结构采用Lagrange单元，流体（包括水和空气）采用Euler单元，两者的交界面定义流固耦合面。对以上算法的分析与比较，本文采用ALE算法实现航行体的入水与触底过程仿真分析。

3.数值模型建立

从图可以看出，航行体以75o和70o倾斜角入水，姿态角迅速增大，呈发散趋势，存在跳弹的风险，由于70o入水时攻角为负，所以姿态变化更为剧烈，在航行体布放时应避免此类工况出现。65o倾斜角入水时姿态角变化较小，呈平稳趋势。由于60o倾角入水时由于负攻角比65o大，所以前期姿态角变化比较剧烈，但最终平稳呈收敛趋势。

5.航行体触底载荷分析

水下触底过程是一个在流体环境下的固体碰撞过程，既要考虑到碰撞冲击效应，也应考虑到液体环境的阻尼效应，所以在航行体和海水之间采用流固耦合算法，而在航行体和海底之间采用侵蚀接触算法；在海底材料模型方面，考虑到水下撞击的极端条件，将海底选为硬质海底，模型材料选为岩石，而非沙泥。初始条件如表所示。

6.结论

本文基于ANSYS/LS-DYNA对空投沉底水下航行体进行了入水和触底过程进行了数值仿真。通过对四种不同工况的入水过程研究，得到了航行体入水时的运动学和动力学参数，这对航行体的结构设计均和空投布放方案设计均提供了重要指导意见。研究表明，入水时航行体的姿态角和入水速度越大，不仅入水过载会越大且入水姿态也越不容易稳定，甚至会出现跳弹现象。另外，航行体大倾角入水时，负攻角对航行体姿态稳定不利，布放时应采取措施尽量减小入水时的负攻角。对航行体触底过程研究，得到了航行体的触底时的过载特性，通过比较可以发现，触底时的过载比入水时的冲击过载更大，航行体结构设计时更应充分考虑触底情况。

参考文献

[1]蒋克强，张遵鸥，张培成.基于ANSYS/LS-DYNA的示位标入水冲击仿真分析[J].电子机械工程，2008，28（2）：15-21.

[2]魏照宇，石秀华，王银涛，王生武.水下航行器高速斜入水冲击的探索仿真研究[J].西北工业大学学报，2010，28（5）：718-723.

[3]徐新栋，李建辰，曹小娟.鱼雷缓冲头帽入水冲击性能研究[J].鱼雷技术，2012，20（3）：161-170.

[4]李裕春，时党勇，赵远.ANSYS11.0/LS-DYNA基础理论与工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

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

[6]郁卫东.结构高速入水载荷特性研究[D].大连：大连理工大学，2006.

作者简介：杨兴满，毕业于重庆大学机械工程学院，工程师，现供职于宜昌测试技术研究所，主要从事机械结构强度仿真分析及数字化设计工作，研究方向：水中兵器结构仿真。