褚林塘， 孫　豐， 廉滋鼎， 焦　俊， 王明振

(1. 高速水動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門(mén)　448035; 2. 中航工業(yè)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén)　448035;3. 中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司，廣東 珠?！?19000)

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水陸兩棲飛機(jī)船體著水載荷數(shù)值與試驗(yàn)分析

褚林塘1,3， 孫豐1,2， 廉滋鼎1,2， 焦俊1,2， 王明振1,2

(1. 高速水動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門(mén)448035; 2. 中航工業(yè)特種飛行器研究所，湖北 荊門(mén)448035;3. 中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司，廣東 珠海519000)

水陸兩棲飛機(jī)的著水載荷是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素之一。應(yīng)用數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)船體著水載荷進(jìn)行了研究。數(shù)值仿真建立了包含空氣場(chǎng)的有限元模型，計(jì)算了不同船底截面形式、結(jié)構(gòu)重量、入水速度下的楔形體局部砰擊壓力變化及分布，并同模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，數(shù)值結(jié)果與模型試驗(yàn)值吻合良好，并得到了兩種截面形式的壓力分布規(guī)律，可為水陸兩棲飛機(jī)船體構(gòu)型的設(shè)計(jì)提供參考。

水陸兩棲飛機(jī)；楔形體；入水砰擊；數(shù)值仿真；試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)物入水有著廣泛的工程背景，如水上/水陸兩棲飛機(jī)、地效翼船及宇宙飛船的水面降落、陸機(jī)的水上迫降、船舶的艏部砰擊、水中兵器的空投入水等問(wèn)題。結(jié)構(gòu)物入水是典型的流固耦合問(wèn)題，結(jié)構(gòu)受沖擊的同時(shí)也會(huì)激起流體的運(yùn)動(dòng)，撞擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與變形又會(huì)影響流體的運(yùn)動(dòng)[1-2]，整個(gè)過(guò)程一直存在流體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，作用過(guò)程復(fù)雜。

入水沖擊載荷歷程短、峰值高，容易引起結(jié)構(gòu)破損、儀器失靈、控制失效、人員傷亡等危害，因此開(kāi)展結(jié)構(gòu)物入水載荷研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。由于入水問(wèn)題的復(fù)雜性，工程實(shí)際問(wèn)題理論分析困難，因此試驗(yàn)及數(shù)值方法成為了開(kāi)展相關(guān)研究的主要手段。Chuang[3]通過(guò)試驗(yàn)分析了平底結(jié)構(gòu)及小斜升角楔形體的剛體入水問(wèn)題，指出對(duì)于小斜升角入水問(wèn)題不應(yīng)忽略空氣墊效應(yīng)。Ei-Mahdi等[4]提出了一種用于預(yù)測(cè)最大著水沖擊壓力的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性[4]。陳震[5-6]應(yīng)用MSC.Dytran軟件對(duì)平底結(jié)構(gòu)入水過(guò)程中空氣墊對(duì)砰擊的影響進(jìn)行了分析，得出砰擊壓力的峰值主要是由空氣層的壓縮而產(chǎn)生的結(jié)果，并研究了砰擊壓力峰值系數(shù)同入水角度和入水速度的關(guān)系。陳小平等[7]應(yīng)用試驗(yàn)與數(shù)值方法分析了彈性效應(yīng)對(duì)楔形體的砰擊壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的影響。駱寒冰等[8]考慮了水彈性效應(yīng)，采用ALE 顯式有限元方法開(kāi)展了數(shù)值預(yù)報(bào)工作。孫輝等[9]應(yīng)用試驗(yàn)方法對(duì)斜升角、板厚、落高及配重對(duì)二維楔形體入水沖擊響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。莫立新等[10]對(duì)楔形體剛度對(duì)沖擊響應(yīng)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。閆發(fā)鎖[11]通過(guò)相關(guān)的理論和試驗(yàn)對(duì)比研究了圓球傾斜入水沖擊壓力的性質(zhì)，用理想不可壓流體中氣泡的非線性振動(dòng)方程解釋了沖擊壓力下降階段出現(xiàn)的振蕩性質(zhì)。

在水陸兩棲飛機(jī)的船體設(shè)計(jì)中，出于對(duì)噴濺、載荷等性能的考慮，船體橫截面基本采用了由無(wú)舭彎過(guò)渡到有舭彎的構(gòu)型。文中基于貼近實(shí)際的考慮，選取了兩種典型水陸兩棲飛機(jī)的船體剖面為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了船體構(gòu)型、重量及入水速度等對(duì)楔形體表面壓力變化及分布的影響規(guī)律，可為開(kāi)展相似船型的飛機(jī)船體外形設(shè)計(jì)提供有效借鑒與參考。

1　數(shù)值仿真模型

本文應(yīng)用LS-DYNA 非線性有限元軟件，基于ALE算法對(duì)楔形體入水問(wèn)題進(jìn)行分析，楔形體結(jié)構(gòu)采用殼單元shell163，單元算法為L(zhǎng)agrange列式, 流體采用體單元solid164，單元算法為ALE列式。將流體與結(jié)構(gòu)的接觸面設(shè)置為耦合面, 采用罰函數(shù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)界面處耦合力的傳遞。

圖1為楔形體入水有限元分析模型，流體模型分為空氣域與水域，流體域長(zhǎng)寬分別為模型的2倍，高度方向上水域0.5 m、空氣域0.3 m，基本滿(mǎn)足無(wú)反射邊界條件。由于本文只研究結(jié)構(gòu)形式對(duì)撞水載荷的影響，不關(guān)心結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此楔形體采用剛體材料模型。

圖1　有限元分析模型Fig.1 FE model

在LS-DYNA 中采用本構(gòu)模型和狀態(tài)方程來(lái)同時(shí)描述流體材料，通過(guò)空材料模型* MAT _ NULL來(lái)定義材料屬性，通過(guò)Gruneisen狀態(tài)方程給出水和空氣的壓力和體積的關(guān)系[2]:

式中：p為壓力；ρ0為初始密度；μ為密度變化率；E為單位體積內(nèi)能；C、S1、S2、S3、γ0、a為材料常數(shù)。

如前所述，楔形體外形分別采用了以CL-415飛機(jī)和US-2飛機(jī)為代表的無(wú)舭彎的V型橫截面和帶舭彎的弧形橫截面型式，并分別稱(chēng)之為1#模型和2#模型(模型試驗(yàn)中相應(yīng)地稱(chēng)之為1#試驗(yàn)件、2#試驗(yàn)件)。圖2為2#模型在某工況下三個(gè)時(shí)刻的仿真入水過(guò)程。

圖2　入水仿真過(guò)程Fig.2 Simulation process of entry water

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)裝置及模型

入水撞擊模型試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)件安裝示意圖如圖3所示。試驗(yàn)件懸掛在電磁鉤上之前，先將其在平臺(tái)上調(diào)平。試驗(yàn)中變化試驗(yàn)件離水面的兩個(gè)高度，分別為0.45 m和0.80 m。待采集系統(tǒng)裝備完畢后，脫開(kāi)電磁鉤，采用自由落體的方式實(shí)現(xiàn)垂直入水撞擊過(guò)程，每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)重復(fù)3～5次，在試驗(yàn)件的左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)部位布置壓力傳感器，根據(jù)對(duì)稱(chēng)壓力傳感器的測(cè)量值判定是否垂直入水。

圖3　試驗(yàn)件安裝示意圖Fig. 3 Diagram of the experimental set-up

1#試驗(yàn)件和2#試驗(yàn)件均為等橫截面楔形體，有較好的水密性，在內(nèi)部設(shè)置了加強(qiáng)框架，基本滿(mǎn)足剛性體試驗(yàn)要求。試驗(yàn)件主尺度為1 m×0.8 m×0.5 m，截面型線如圖4所示。

圖4　楔形體橫截面對(duì)比Fig.4 The difference of two wedges

在試驗(yàn)件底部同一橫截面處布置有7個(gè)壓力傳感器見(jiàn)圖5和表1，主要用來(lái)研究局部壓力變化和壓力沿橫截面分布規(guī)律，分析對(duì)比不同橫截面的水載荷特性。其中，4#傳感器與6#傳感器、3#傳感器與7#傳感器均相對(duì)于對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)布置，用于判定試驗(yàn)件是否垂直入水。

圖5　壓力傳感器布置圖Fig.5 Diagram of the collocation of pressure transducer

傳感器編號(hào)距離對(duì)稱(chēng)面的距離/mm1#試驗(yàn)件2#試驗(yàn)件128037022502803150180475100530306751007150180

2.2試驗(yàn)過(guò)程

本文主要分析不同重量、入水速度下楔形體試驗(yàn)件的入水撞擊壓力大小及分布，模型試驗(yàn)包含兩個(gè)下落高度、兩個(gè)重量狀態(tài)，具體試驗(yàn)參數(shù)及工況見(jiàn)表2，表中兩個(gè)下落高度分別對(duì)應(yīng)3 m/s和4 m/s的入水速度。圖6為2#模型在某工況下的入水過(guò)程。

表2　工況設(shè)置

圖6　入水試驗(yàn)過(guò)程Fig.6 Experiment process of entry water

3　試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

3.1壓力時(shí)間歷程

圖7為一某工況中兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置壓力傳感器測(cè)量值對(duì)比曲線，用來(lái)判斷楔形體是否垂直入水，可以看出兩條曲線峰值壓力基本相同，變化趨勢(shì)稍有差別，基本滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)性要求，由此可判定該工況下楔形體垂直入水。

圖8給出了某工況下各測(cè)點(diǎn)壓力的試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比曲線，由圖可知除P1傳感器處外，試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值整體偏差不大，二者吻合比較好，但仿真計(jì)算壓力跳躍現(xiàn)象嚴(yán)重。每個(gè)傳感器的峰值壓力隨著楔形體浸沒(méi)深度的增加依次出現(xiàn)，且隨著測(cè)點(diǎn)距對(duì)稱(chēng)面距離的增大壓力到達(dá)時(shí)刻的數(shù)值解與試驗(yàn)值偏差呈增大趨勢(shì)。表3為各測(cè)點(diǎn)處壓力峰值誤差分析結(jié)果，隨著偏離中面的距離增大，壓力峰值逐漸減小，壓力峰值誤差呈增大趨勢(shì)，最大誤差為29.80%。

圖7　垂直入水驗(yàn)證Fig.7 The validation of entry water vertically

傳感器編號(hào)P5P4P3P2P1數(shù)值峰值/kPa17.6115.339.786.865.88試驗(yàn)峰值/kPa15.6913.217.915.604.53誤差/%12.2416.0523.6422.5029.80

3.2壓力分布分析

對(duì)于水陸兩棲飛機(jī)而言，若飛機(jī)對(duì)稱(chēng)著水，針對(duì)無(wú)舭彎的船底，由于觸水速度和浸水深度的影響，舭處的壓力為龍骨處壓力Pk的75%，龍骨與舭處的壓力成線性分布，如圖9[12]右側(cè)標(biāo)注所示；對(duì)于帶舭彎的船底，由于舭處壓力要比無(wú)舭彎的船底壓力要略大，舭彎起點(diǎn)處的壓力與無(wú)舭彎船底的壓力相同，舭部壓力Pch和舭彎起點(diǎn)壓力之間、龍骨與舭彎起點(diǎn)之間的壓力分別成線性分布，如圖9左側(cè)的分段線性標(biāo)注。即，針對(duì)無(wú)舭彎的橫截面，局部壓力沿橫向從大到小線性分布；有舭彎的船底，局部壓力沿橫向大-小-大分布[12]。

圖8　各測(cè)點(diǎn)處壓力變化曲線Fig.8 Graphs of pressure on the transducers

圖9　橫向壓力分布Fig. 9 Transverse pressure distributions

圖10和圖11分別給出了兩個(gè)模型在不同重量狀態(tài)和不同入水速度下的壓力峰值沿楔形體截面的橫向分布情況，圖例中的N1、N2分別代表1號(hào)楔形體和2號(hào)楔形體，可以看出仿真值與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)相似，試驗(yàn)件重量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大；同一入水速度不同重量下底部壓力沿橫截面方向分布趨勢(shì)相同，且隨重量的增加而增大；同一重量不同入水速度下，距離對(duì)稱(chēng)面越遠(yuǎn)，入水速度不同引起的壓力變化越小。從局部壓力沿橫向分布規(guī)律來(lái)看，無(wú)舭彎模型局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；帶舭彎模型局部壓力沿橫向大-小-大的非線性分布。綜合看來(lái)，帶舭彎模型較無(wú)舭彎模型對(duì)重量和速度的變化更敏感；此外除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外數(shù)值仿真結(jié)果普遍較試驗(yàn)值偏大，這可能是由軟件中的耦合算法導(dǎo)致的，LS-DYNA軟件采用的是罰函數(shù)法來(lái)處理流固界面處的耦合，這種算法計(jì)算界面壓力時(shí)受參數(shù)設(shè)置影響較大，且相關(guān)參數(shù)值尚沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，目前基本采用推薦值，后續(xù)可在這方面展開(kāi)深入研究。

圖10　楔形體不同重量下壓力沿橫向分布情況Fig.10 The pressure of wedge with different mass

圖11　楔形體不同速度下壓力沿橫向分布情況Fig.11 The pressure of wedge with different velocity

4　結(jié)　論

文中給出了楔形體入水過(guò)程中的壓力時(shí)程變化及壓力分布的試驗(yàn)與數(shù)值對(duì)比結(jié)果，對(duì)截面構(gòu)型、重量、入水速度三個(gè)主要因素對(duì)著水載荷的影響進(jìn)行了探討。得到的主要結(jié)論如下：

(1) 楔形體各測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程變化趨勢(shì)和壓力分布的試驗(yàn)值與數(shù)值結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值方法的有效性；耦合算法帶來(lái)的數(shù)值噪聲引起仿真結(jié)果較試驗(yàn)值普遍偏大，但其對(duì)于水陸兩棲飛機(jī)的載荷預(yù)報(bào)是偏于保守的，可滿(mǎn)足工程需要，后續(xù)可對(duì)耦合參數(shù)的合理選取做進(jìn)一步的研究。

(2) 楔形體重量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大，但底部壓力沿橫截面方向分布趨勢(shì)相同；帶舭彎模型較無(wú)舭彎模型對(duì)重量和速度的變化更敏感。

(3) 無(wú)舭彎的橫截面局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；有舭彎的船底局部壓力沿橫向呈大-小-大非線性分布。

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Numerical simulation and tests for water load of amphibious aircraft hulls

CHU Lintang1,3, SUN Feng1,2, LIAN Ziding1,2, JIAO Jun1,2, WANG Mingzhen1,2

(1. Key Aviation Scientific and Technological Laboratory of High-Speed Hydrodynamics, Jingmen 448035, China; 2. AVIC Special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China;3. China Aviation Industry General Aircraft Co., Ltd, Zhuhai 519000, China)

Water load of amphibious aircrafts is one of the main factors influencing their structural design. The water load of amphibious aircraft hull was studied with numerical simulation and model test approach. Its finite element model included an air field. The local slamming pressure variation and distribution were calculated with different cross-sections of hull bottom, varying structural weight and speeds entering water. The results were compared with test ones. The results showed that the numerical results are in good agreement with model test data. The pressure distributions of two hull cross-sections were obtained, they provided a reference for amphibious aircraft hull configuration design.

amphibious aircraft; wedge; slamming into water; numerical simulation; test

航空科學(xué)基金(20120191326091);中航工業(yè)科技創(chuàng)新基金(2013A60505R)

2015-09-29修改稿收到日期：2016-01-25

褚林塘 男，研究員，1969年生

V21

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.15.035