空投沉底航行體入水和觸底過程仿真研究

【摘要】本文基于ANSYS/LS_DYNA軟件，對某空投沉底水下航行體以大傾斜角高速入水過程以及航行體觸底過程進行了仿真研究。通過對航行體入水和觸底時的過載研究，對航行體結構強度設計提供了依據；通過對航行體入水時的姿態研究，對航行體的布放方案設計提供了指導意見，對入水后的水下彈道設計也具有重要的參考意義。

【關鍵詞】空投；航行體；入水；LS-DYNA

1.引言

現代海戰中水下對抗愈演愈烈，為提高水中兵器部署的快捷性和隱蔽性，采用空投部署方式越來越普遍。采用空投方式部署的水下兵器，特別是沉底的水下兵器，在結構強度上，面臨著入水和觸底的雙重考驗。航行體在入水過程中受到巨大的流體作用力，過大的入水載荷將導致結構破壞和內部零件失靈，且流體載荷會改變航行體的運動狀態，對水下彈道帶來巨大影響，從而影響部署的位置精度。航行體觸底時，由于海底情況復雜，當遇到硬質海底時，航行體與海底發生劇烈碰撞，并會產生彈跳。由于流體的存在，水下碰撞有別與空氣中的碰撞。因此，研究空投沉底水下航行體的入水和觸底過程對提高航行體系統可靠性具有重要意義。

進行入水沖擊和水下碰撞試驗耗資巨大操作困難，且試驗數據也未必可靠。隨著計算機技術和有限元技術的發展，計算速度和計算精度已經得到極大提高，利用有限元方法對此類的瞬態動力學進行仿真分析，能極大提高研究工作效率節約研究成本縮短研究周期。當前，諸多專業仿真軟件在研究入水、碰撞等復雜的非線性動力學分析中得到了廣泛的應用，諸如LS-DYNA、MSC.Dytran、ABQUS等，大量用戶的仿真結果與試驗結果一致程度較高[1-3]，對產品的前期設計以及結構改進、優化等提供了重要的指導意見。在此背景下，本文選用ANSYS/LS-DYNA，對某空投沉底水下航行體的入水和觸底過程進行了仿真研究，以得到航行體在不同工況下入水和觸底的過載和運動狀態，為航行體的結構設計、布放方案提供指導意見。

2.LS-DYNA算法介紹

2.1 接觸碰撞的基本算法

LS-DYNA程序處理接觸-碰撞主要采用三種不同的算法，即節點約束法、對稱罰函數法和分配參數法。節點約束法僅用于固連界面，分配參數法僅用于滑動界面，對稱罰函數法是最常用的算法[4]。根據三種不同算法的特點，本文選用對稱罰函數法。

不同結構可能相互接觸的兩個表面分別稱為主表面和從表面。對稱罰函數法每一時步先檢查各從節點是否穿透主表面，沒有穿透則對該從節點不做任何處理，如果穿透，則在該從節點與被穿透的主表面之間引入一個較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主片剛度成正比，稱為罰函數值，它的物理意義相當于在從節點和被穿透主表面之間放置一個法向彈簧，以限制從節點對主表面的穿透。

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幾種[4]：

1）合并流體和結構的界面節點。該方法網格劃分時流體網格與結構網格在界面處有相同的密度，節點數及位置相同。

2）接觸算法。結構和流體在界面處有各自的邊界面，可以劃分不同密度的網格，在流體和結構之間需要定義接觸滑移面，這與碰撞接觸類型定義相同。

3）ALE算法。該方法結構與流體幾何模型以及網格可以重疊在一起，計算中通過約束方法將兩者耦合在一起，以實現力學參量的傳遞，是真正意義上的流固耦合。結構采用Lagrange單元，流體（包括水和空氣）采用Euler單元，兩者的交界面定義流固耦合面。對以上算法的分析與比較，本文采用ALE算法實現航行體的入水與觸底過程仿真分析。

3.數值模型建立

從圖可以看出，航行體以75o和70o傾斜角入水，姿態角迅速增大，呈發散趨勢，存在跳彈的風險，由于70o入水時攻角為負，所以姿態變化更為劇烈，在航行體布放時應避免此類工況出現。65o傾斜角入水時姿態角變化較小，呈平穩趨勢。由于60o傾角入水時由于負攻角比65o大，所以前期姿態角變化比較劇烈，但最終平穩呈收斂趨勢。

5.航行體觸底載荷分析

水下觸底過程是一個在流體環境下的固體碰撞過程，既要考慮到碰撞沖擊效應，也應考慮到液體環境的阻尼效應，所以在航行體和海水之間采用流固耦合算法，而在航行體和海底之間采用侵蝕接觸算法；在海底材料模型方面，考慮到水下撞擊的極端條件，將海底選為硬質海底，模型材料選為巖石，而非沙泥。初始條件如表所示。

6.結論

本文基于ANSYS/LS-DYNA對空投沉底水下航行體進行了入水和觸底過程進行了數值仿真。通過對四種不同工況的入水過程研究，得到了航行體入水時的運動學和動力學參數，這對航行體的結構設計均和空投布放方案設計均提供了重要指導意見。研究表明，入水時航行體的姿態角和入水速度越大，不僅入水過載會越大且入水姿態也越不容易穩定，甚至會出現跳彈現象。另外，航行體大傾角入水時，負攻角對航行體姿態穩定不利，布放時應采取措施盡量減小入水時的負攻角。對航行體觸底過程研究，得到了航行體的觸底時的過載特性，通過比較可以發現，觸底時的過載比入水時的沖擊過載更大，航行體結構設計時更應充分考慮觸底情況。

參考文獻

[1]蔣克強，張遵鷗，張培成.基于ANSYS/LS-DYNA的示位標入水沖擊仿真分析[J].電子機械工程，2008，28（2）：15-21.

[2]魏照宇，石秀華，王銀濤，王生武.水下航行器高速斜入水沖擊的探索仿真研究[J].西北工業大學學報，2010，28（5）：718-723.

[3]徐新棟，李建辰，曹小娟.魚雷緩沖頭帽入水沖擊性能研究[J].魚雷技術，2012，20（3）：161-170.

[4]李裕春，時黨勇，趙遠.ANSYS11.0/LS-DYNA基礎理論與工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

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

[6]郁衛東.結構高速入水載荷特性研究[D].大連：大連理工大學，2006.

作者簡介：楊興滿，畢業于重慶大學機械工程學院，工程師，現供職于宜昌測試技術研究所，主要從事機械結構強度仿真分析及數字化設計工作，研究方向：水中兵器結構仿真。