李四超，蘇 杭，趙 錚

(1.海軍駐鄭州地區(qū)軍代表室，鄭州 450015；2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094)

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舷外發(fā)射水密隔膜破片散布范圍分析

李四超1，蘇 杭2，趙 錚2

(1.海軍駐鄭州地區(qū)軍代表室，鄭州 450015；2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094)

基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合計(jì)算方法，對(duì)水下舷外發(fā)射裝置建立了有限元模型，計(jì)算了水密隔膜在導(dǎo)彈(魚雷)發(fā)射過程中的破裂過程，分析了水壓、彈速和艇速對(duì)隔膜破片散布范圍的影響，結(jié)果表明：隔膜破片在發(fā)射過程中不會(huì)與相鄰單元發(fā)生干涉。

水下發(fā)射裝置；水密隔膜；散布；數(shù)值模擬

隨著電子計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展和在潛艇上的應(yīng)用，使得現(xiàn)代潛艇不僅具有良好的隱蔽性、機(jī)動(dòng)性，而且自持力、續(xù)航力大大增加，對(duì)導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)的性能要求也不斷提高[1]?，F(xiàn)今世界各國(guó)海軍所擁有的潛艇種類繁多，其所配置的發(fā)射裝置也各不相同。水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置通過氣動(dòng)發(fā)射、采用液壓平衡原理，能夠大深度發(fā)射魚雷[2]。水壓平衡式發(fā)射裝置可以采用冷發(fā)射技術(shù)，魚雷在滑塊推動(dòng)下沿發(fā)射筒內(nèi)的滑軌加速，撞破水密隔膜后出筒[3]。針對(duì)水下發(fā)射過程的研究，李志華通過建立魚雷運(yùn)動(dòng)模型，并通過魚雷在出筒過程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以此校核魚雷發(fā)射時(shí)，潛艇的安全性[4]；李亞男通過建立小型運(yùn)載器的運(yùn)動(dòng)方程，并運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算其內(nèi)彈道過程，得到其出筒速度[5]；徐勤超通過建立魚雷運(yùn)動(dòng)方程組，對(duì)艦船的振蕩運(yùn)動(dòng)在魚雷發(fā)射入水的影響進(jìn)行了分析[6]。

上述研究沒有考慮發(fā)射筒的具體結(jié)構(gòu)及多聯(lián)裝的相互影響，本文通過對(duì)弦外發(fā)射導(dǎo)彈(魚雷)出筒過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，計(jì)算水密隔膜破片的飛散速度和飛散直徑，研究水密隔膜破片對(duì)鄰?fù)驳挠绊憽?/p>

1 計(jì)算模型

本文的計(jì)算模型主要由水域、導(dǎo)彈發(fā)射筒、水密隔膜和導(dǎo)彈組成，如圖1所示。導(dǎo)彈位于發(fā)射筒中，發(fā)射筒前端為水密隔膜。發(fā)射筒內(nèi)為淡水，筒外為海水。發(fā)射筒及導(dǎo)彈的材料為鋼，水密隔膜材料為有機(jī)玻璃。

圖1 計(jì)算模型示意圖

2 有限元分析模型

流固耦合計(jì)算需要考慮流場(chǎng)和導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，計(jì)算量大，計(jì)算速度慢[7]，為了將求解時(shí)間控制在可以接受的范圍內(nèi)，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，提高計(jì)算速度。本系統(tǒng)的有限元模型由水、導(dǎo)彈發(fā)射筒、水密隔膜和導(dǎo)彈組成，計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

其中水介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格，采用GRUNEISEN狀態(tài)方程[8]；導(dǎo)彈和發(fā)射筒有限元模型采用拉格朗日網(wǎng)格，考慮到其變形很小，采用剛性材料[9]；水密隔膜有限元模型采用拉格朗日網(wǎng)格，材料為線彈性材料，水密隔膜材料失效時(shí)所受的最大主應(yīng)力為35 MPa。發(fā)射裝置與水域間采用流固耦合算法。計(jì)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，未給出的參數(shù)取 LS-DYNA軟件和工程實(shí)踐中的默認(rèn)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)

為節(jié)約求解時(shí)間，水域建模范圍略大于發(fā)射筒，通過透射邊界條件模擬無限水域[10]，通過施加不同的靜水壓力模擬水深[11]。

3 水密隔膜破片運(yùn)動(dòng)過程分析

采用基于LS-DYNA 軟件的多物質(zhì) ALE 算法[12]，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射過程進(jìn)行了三維有限元模擬，分析了不同水深、彈速和艇速對(duì)水密隔膜破片散布程度的影響。

3.1 不同水深時(shí)的破片散布分析

圖3為在發(fā)射過程中水密隔膜不同時(shí)刻下(0.13 s、0.16 s、0.20 s、0.23 s)的狀態(tài)變化(左視圖)。隨著時(shí)間的增加，水密隔膜材料達(dá)到失效應(yīng)力發(fā)生破裂，破片翻轉(zhuǎn)飛散。

圖3 水密隔膜在不同狀態(tài)下的狀態(tài)變化

圖4反映了不同水深，彈速為10 m/s條件下，導(dǎo)彈出筒水密隔膜破片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(上為主視圖，下為左視圖)。由圖4可見大部分破片的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，部分破片有軸向的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。為了研究破片對(duì)鄰?fù)驳挠绊?，本文只分析破片的徑向運(yùn)動(dòng)，不分析破片的軸向運(yùn)動(dòng)。

圖5為不同水深下破片單元的徑向速度曲線(4個(gè)單元在水密隔膜周向相隔一定距離，下同)。從曲線得出以下結(jié)論：最初的振蕩對(duì)應(yīng)水密隔膜被逐漸撞開的過程，隨后破片速度逐漸增大，破片也逐漸翻轉(zhuǎn)張開，最后破片速度逐漸接近于0，基本沒有徑向位移。通過提取破片的徑向位移，發(fā)現(xiàn)在破片速度為0時(shí)，破片的徑向位移約為300 mm。由此可知，隨著水深的增加，破片的散布直徑約為600 mm，散布直徑基本不變。

3.2 不同彈速時(shí)的破片散布分析

圖6反映了在150 m水深條件下，不同導(dǎo)彈出筒速度時(shí)導(dǎo)彈出筒破片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？梢钥吹诫S著彈速增加，水密隔膜在與發(fā)射筒接觸的部分有較明顯的單元失效，破片明顯增多。

圖7為不同彈速下4個(gè)破片單元的徑向速度曲線?？梢姡瑥椝僭黾訒r(shí)，破片的飛散范圍并沒有顯著增加。綜合各破片單元徑向位移得出散布直徑為600 mm。

3.3 不同艇速時(shí)的破片散布分析

圖8為在不同艇速，150 m水深，彈速10 m/s條件下，導(dǎo)彈出筒時(shí)的破片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。可以看出，在有艇速的情況下，破片數(shù)量更多，破片單元更??；艇速越大，在貼近發(fā)射筒的水密隔膜單元失效更多，破片也更多。

由圖8可看出，大部分破片單元徑向散布可以用散布直徑表示。圖9為不同艇速下破片單元徑向速度曲線?？梢?，在有艇速情況下，徑向速度曲線振蕩加劇，但速度趨勢(shì)依舊減小為0，綜合各破片單元徑向位移后得到散布直徑為600 mm。

圖4 不同水深的破片散布程度

圖5 不同水深的破片徑向速度曲線

圖6 不同彈速時(shí)的破片散布程度

圖7 不同彈速時(shí)的破片徑向速度曲線

圖8 不同艇速時(shí)的破片狀態(tài)

圖9 不同艇速時(shí)的破片徑向速度曲線

4 結(jié)論

本文基于ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法模擬導(dǎo)彈在水壓平衡式發(fā)射裝置的弦外發(fā)射出筒過程，得到了不同條件下水密隔膜破片的狀態(tài)。通過對(duì)破片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀察分析，可以看出，在不同給定條件下，破片的徑向散布直徑為600 mm，不會(huì)影響臨近發(fā)射單元。本文工作在一定程度上檢驗(yàn)了發(fā)射裝置的正確性，為下一步的發(fā)射系統(tǒng)優(yōu)化及技術(shù)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching

LI Sichao1, SU Hang2, ZHAO Zheng2

(1.Navy Military Representative Office in Zhengzhou, Zhengzhou 450015, China; 2.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Based on ANSYS/LS-DYNA fluid-structure coupling calculation method, the finite element model of outboard underwater launcher fragment is established to simulate the rupture process of watertight diaphragm and to analyze the influence of water pressure, bullet velocity and submarine velocity on fragment range. The results show that the fragment of watertight diaphragm will not cause interference on adjacent units.

underwater launcher; watertight diaphragm; dispersion; numerical simulation

10.11809/scbgxb2017.07.016

2017-03-15；

2017-04-25

李四超(1977—)，男，工程師，主要從事導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)研究。

format:LI Sichao, SU Hang, ZHAO Zheng.Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):74-77.

TJ63+5

A

2096-2304(2017)07-0074-04

本文引用格式：李四超，蘇杭，趙錚.舷外發(fā)射水密隔膜破片散布范圍分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(7):74-77.