空投UUV入水沖擊仿真研究

章　杰，張云海，趙加鵬

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌　443003)

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空投UUV入水沖擊仿真研究

章杰，張云海，趙加鵬

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003)

摘要：空投布放的水下航行器在入水沖擊初期會遭受巨大的沖擊載荷，可能對殼體結(jié)構(gòu)和攜帶的儀器設(shè)備造成很大的危害。掌握UUV在不同工況入水時所受沖擊力的情況，對研究空投UUV殼體強度設(shè)計和安全入水方法都有著非常重要的作用。建立了UUV入水有限元仿真模型，并利用ANSYS/LS-DYNA對UUV在多種工況下入水時所受沖擊力的情況進行計算。最后通過分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)得到幾點有益的結(jié)論，為空投UUV安全入水提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：入水沖擊；空投UUV；安全入水

本文引用格式：章杰，張云海，趙加鵬.空投UUV入水沖擊仿真研究[J].兵器裝備工程學報，2016(1):70-73.

Citation format:ZHANG Jie, ZHANG Yun-hai, ZHAO Jia-peng.Numerical Simulation of Water-Entry Impact for Air-Launched UUV[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):70-73.

1模型建立

LS-DYNA以拉格朗日算法為主，并兼具ALE與Euler算法，對于結(jié)構(gòu)及固體的分析主要采用拉格朗日法。當采用拉格朗日法時，節(jié)點固定在分析對象上，通過連接有關(guān)節(jié)點形成單元，再由單元形成網(wǎng)格。當分析對象變形時，節(jié)點隨著材料的移動而移動，同時單元也隨之變形。因此，拉格朗日計算的是質(zhì)量恒定的單元的移動。ANSYS/LS-DYNA中所用的單元大多數(shù)為一階單元。由于程序采用顯式積分法，適合于使用細密網(wǎng)格，因而采用低精度單元。在采用低精度單元和細密網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，經(jīng)過近似處理，可以使系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣不包含耦合項，從而在進行顯式時間積分時無需進行矩陣求逆，只需求解關(guān)于每個自由度的獨立一元一次方程，使得計算效率大大提高。

1.1有限元模型建立

由于在ANSYS/LS-DYNA中沒有固定的單位制，所以首先確定統(tǒng)一的單位制，在進行UUV入水沖擊仿真計算時，采用cm-g-μs單位制。

將UUV的三維模型導入到ANSYS/LS-DYNA中進行有限元的前處理，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計算時間，導入UUV的三維模型進行有限元建模時，取UUV的二分之一模型，將UUV的三維模型進行有限元網(wǎng)格劃分，UUV有限元模型圖如圖1所示。

圖1　UUV的有限元模型

UUV空投入水受到?jīng)_擊載荷的作用主要發(fā)生在入水瞬間，通常在頭部沾濕后的數(shù)毫秒內(nèi)，故可以不考慮海浪、海流的影響。入水海面區(qū)域近似為平面。在ANSYS/LS-DYNA中建立水域和空氣域的三維模型，并進行網(wǎng)格劃分。空氣域的模型尺寸為3 000 mm×3 000 mm×500 mm，劃分網(wǎng)格后共有18 000個節(jié)點；水域的模型尺寸為3 000 mm×3 000 mm×7 000 mm；劃分網(wǎng)格后共有144 000個節(jié)點。水下航行器60°入水有限元模型如圖2所示。

圖2　水下航行器60°入水有限元模型

其他入水角度的有限元模型，不再一一列舉。

1.2材料模型

選擇網(wǎng)格劃分需要的顯式單元，本文中選擇的單元類型是SOLID164單元。然后定義UUV、水、空氣的材料模型，本文中UUV的材料為鋁合金，選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型作為UUV的材料模型，流體材料水和空氣選擇空材料模型*MAT_NULL來描述，即用本構(gòu)模型和狀態(tài)方程來同時描述流體材料，水的狀態(tài)方程采用Gruneisen狀態(tài)方程來描述：

式中：P表示壓力；V表示相對體積；E表示單位體積內(nèi)能。計算過程中所使用的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　水的狀態(tài)方程參數(shù)

空氣材料狀態(tài)方程采用LINER-POLY- NOMIAL線性狀態(tài)方程來描述：

其中：P表示壓力；V表示相對體積；E表示單位體積內(nèi)能。

1.3邊界條件及初始條件

當建立水域和空氣域時，往往需要一個無限域來進行模擬。然而，軟件仿真解決問題又是有限的。為了限制模型的規(guī)模，可以使用非反射邊界條件來表示無限域(這也是之前選擇SOLID單元的原因)。非反射邊界可以組織應(yīng)力波從模型的邊界反射。定義的過程為：首先創(chuàng)建物體外表面節(jié)點的組元，然后施加非反射約束，從而可以指定沿特定的組元是否消除膨脹波與剪切波的反射。在本次仿真中，選擇水域和空氣的四周以及底面上的節(jié)點組作為非反射邊界條件。另外，通過定義UUV外表面的節(jié)點作為另一個非反射約束，并通過修改K文件，從而建立兩個PART，如圖3所示。

圖3　非反射邊界組元

2計算結(jié)果與分析

本研究開展了入水速度20 ～100 m/s，入水角度60～90°不同組合下的入水沖擊載荷計算，得到了軸向沖擊載荷與法向沖擊載荷隨時間的變化趨勢。根據(jù)自由落體原理可知UUV從100m高度下降到水面時的速度為44.27m/s，因而入水速度選擇為20 ～100 m/s是適合大多數(shù)工況的。計算結(jié)果如圖4～圖11所示。

圖4　V=20 m/s時法向沖擊載荷變化曲線

圖5　V=20 m/s時軸向沖擊載荷變化曲線

圖6　V=40 m/s時法向沖擊載荷變化曲線

圖7　V=40 m/s時軸向沖擊載荷變化曲線

圖8　V=60 m/s時法向沖擊載荷變化曲線

圖9　V=60 m/s時軸向沖擊載荷變化曲線

圖10　V=100 m/s時法向沖擊載荷變化曲線

圖11　V=100 m/s時軸向沖擊載荷變化曲線

不同入水速度、角度時法向與軸向載荷峰值的匯總?cè)绫?所示。

表2　各種入水工況下法向與軸向載荷峰值

3結(jié)論

根據(jù)以上計算結(jié)果可以得出：

1) 入水沖擊力的數(shù)量級是相當大的，其所受沖擊力的峰值出現(xiàn)在UUV和水面接觸后的很短一段時間內(nèi)(ms量級)，然后很快就會衰減下去。UUV斜入水時載荷峰值到達時間比垂直入水載荷峰值到達時間略晚。

2) 軸向載荷在達到最大峰值后保持在一個相對較小水平；法向載荷在達到最大峰值后迅速減小，并且在小值附近振蕩；軸向沖擊載荷比法向沖擊載荷大的多，UUV受到的沖擊載荷主要為軸向載荷。因此，在設(shè)計UUV殼體時有必要加強前端的強度或在UUV頭部加裝緩沖頭帽，提高耐沖擊的性能，以確保入水時的安全性[9-10]。

3) 同一入水速度下，軸向載荷隨著入水角度的增大而增大，法向載荷隨著入水角度的增大而減小。當UUV以90°角入水時軸向載荷相當大，法向載荷基本可以忽略，垂直入水是最危險入水方式，應(yīng)當避免。通常為了得到較好的操縱性和穩(wěn)定性，入水角選擇50°～70°。

4) 同一入水角度下，軸向載荷、法向載荷均隨著入水速度的增大而增大。因此，UUV入水前要避免過高的速度，對于空投UUV等高速的UUV在入水前必須采取適當?shù)臏p速和保護措施。

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(責任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

Numerical Simulation of Water-Entry Impact for Air-Launched UUV

ZHANG Jie, ZHANG Yun-hai, ZHAO Jia-peng

(The No.710thResearch Institute, China Shipbuilding Industrial Cooperation, Yichang 443003, China)

Abstract:There is a strongly impact on the air-launched unmanned underwater vehicle during it is entering the water. The impact is harmful to both the shell strength and the apparatus. Therefore, it is very important to master the regularity of impact for the study of the shell strength design and the safety water-entry method of UUV. The water-entry impacting models of air-launched UUV were established, and the impact forces of water-entry about the UUV were calculated with different water-entry angles and different velocities by ANSYS/LS-DYNA. Finally, the emulation data were analyzed to form some conclusions which provide useful reference for safety water-entry of air-launched UUV.

Key words:water-entry impact; air-launched UUV; safety water-entry

文章編號：1006-0707(2016)01-0070-04

中圖分類號：TP24；TJ8

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.017

作者簡介：章杰(1989—),男,碩士,主要從事海洋工程研究。

收稿日期：2015-06-02；修回日期：2015-06-25