垂直發(fā)射彈頭沖擊力仿真研究

陸 宇， 楊 洋， 趙 錚

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南省水下智能裝備重點實驗室， 鄭州 450015; 2.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094)

采用水下垂直發(fā)射方式，具有貯存量大、火力強、能實施飽和攻擊、可實現(xiàn)全方位攻擊、發(fā)射裝置靈活、使用方便等顯著優(yōu)點[1-3]。出筒階段是潛射導(dǎo)彈從發(fā)射到打擊目標過程中需要重點關(guān)注的。因為它是導(dǎo)彈水中彈道的起點，直接影響水彈道的優(yōu)劣，并進而決定著導(dǎo)彈能否最后安全成功發(fā)射，隨后導(dǎo)彈能否繼續(xù)其出水、空中彈道的飛行和完成最后的對敵打擊，這使它成為水下發(fā)射研究的一個熱點[4]。尚書聰?shù)萚2假設(shè)潛射導(dǎo)彈發(fā)射速度為垂直方向，利用FLUENT軟件研究了潛射導(dǎo)彈出筒過程，分析其流場特性]。張紅軍等[5]在考慮艇速影響的條件下，采用Mixture多相流模型并利用動網(wǎng)格技術(shù)，對潛射導(dǎo)彈過程進行了三維數(shù)值模擬，研究了彈出筒過程中的流體流動特性。孫船斌等[6]研究了在導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射過程中，減震墊特性對出筒過程中導(dǎo)彈橫向振動的影響。并根據(jù)動量和動量矩定理建立了導(dǎo)彈在出筒過程的動力學(xué)模型，分析了導(dǎo)彈在筒內(nèi)橫向運動的自由振動特性，得到了導(dǎo)彈在發(fā)射平臺坐標系下的橫向振動方程。鞏明等[7]采用有限段法構(gòu)建了導(dǎo)彈模型，對導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射過程進行動力學(xué)分析，結(jié)果與試驗基本一致。Dyment A等[8]在導(dǎo)彈冷發(fā)射情況下，采用 VOF模型數(shù)值模擬了出筒過程中尾空泡的形成，并驗證數(shù)值模擬的準確性。Kunz等[9]在模擬潛射導(dǎo)彈垂直出筒過程中，給出了一種隱式求解算法，并利用了網(wǎng)格變形技術(shù)，取得了較好的結(jié)果。J.J.Yagla等[10]對垂直發(fā)射出筒過程的動力環(huán)境進行深入研究，通過研究發(fā)現(xiàn)在筒內(nèi)直接采用發(fā)動機點火能夠為潛射導(dǎo)彈的航行提供一個充足燃氣，保證潛射導(dǎo)彈由出筒到開始一直到完成出水。

本文利用LS-DYNA對彈頭沖擊過程進行仿真計算，LS-DYNA具有非常成熟的接觸算法，在沖擊動力學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[11，12]。本文對水下垂直發(fā)射裝置進行建模，分別對有內(nèi)壓和無內(nèi)壓工況下進行仿真計算，分析彈頭與緩沖層之間以及彈頭與頭罩外層之間沖擊力的最大值，分析內(nèi)壓對彈頭受到?jīng)_擊力的影響。

1 計算模型

垂直發(fā)射裝置平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。裝置由彈體、法蘭、緩沖層、頭罩內(nèi)層、頭罩外層、外層薄弱區(qū)、撕裂帶共7部分組成，其中頭罩內(nèi)層由大小相等的四瓣組成。有內(nèi)壓和無內(nèi)壓工況下，計算模型均帶有緩沖層。

圖1 垂直發(fā)射裝置平面結(jié)構(gòu)示意圖

仿真模型由彈體、法蘭、緩沖層、內(nèi)層頭罩、外層頭罩和撕裂帶六部分組成。其中，彈體為鋼、法蘭為剛體、緩沖層為橡膠、頭罩內(nèi)層為鋁合金、頭罩外層為錦綸，撕裂帶為芳綸，有限元模型如圖2所示。

該模型為平面對稱結(jié)構(gòu)，可建立1/2模型，在對稱面施加對稱約束。法蘭固定在發(fā)射筒上，可設(shè)置為全約束。頭罩外層的底部固定在法蘭上，也設(shè)置為全約束。緩沖層與頭罩內(nèi)層定義為粘接。計算中采用的發(fā)射裝置材料參數(shù)見表1。撕裂帶根部設(shè)置為全約束，頂部與頭罩外層設(shè)置為固連接觸。有限元模型各部分均定義罰函數(shù)接觸。頭罩外層內(nèi)側(cè)承受均布壓力為0.05 MPa，對于無內(nèi)壓的情況，頭罩外層內(nèi)側(cè)承受均布壓力為0 MPa。對于仿真計算的初始條件，彈體在0時刻的速度為0.82 m/s，加速度32.98 m/s2。

圖2 有限元模型

表1 發(fā)射裝置各部件材料參數(shù)

2 彈出筒過程分析

數(shù)值仿真分析計算0.1 s時程，LS-DYNA求解計算得到仿真結(jié)果后，采用LS-PREPOST軟件進行后處理。圖3為有內(nèi)壓和無內(nèi)壓兩種工況下，彈在出筒過程中不同時刻的狀態(tài)。由圖可以看出，彈頭出筒過程中，先與緩沖層發(fā)生碰撞，再與頭罩外層發(fā)生碰撞。

圖3 兩種工況下不同時刻狀態(tài)

圖4反映了無內(nèi)壓和有內(nèi)壓情況下，彈頭和緩沖層之間沿發(fā)射方向的沖擊力。通過后處理得出其到達峰值的時間分別為5.7 ms和5.1 ms，峰值的大小分別為1 205 N和1 186 N。

圖4 彈頭-緩沖層Y向沖擊力

由圖4可以看出：內(nèi)壓對彈頭-緩沖層之間的沖擊力影響不大。圖5反映了無內(nèi)壓和有內(nèi)壓情況下，彈頭與頭罩外層之間沿發(fā)射方向的沖擊力。同樣通過后處理可得到其到達峰值的時間分別為36.0 ms和52.0 ms，峰值的大小分別為110 N和108 N，內(nèi)壓對彈頭與外層之間的沖擊力影響也較小。圖6為兩種工況下撕裂帶沿發(fā)射方向的位移曲線，可以看出在彈出筒過程中撕裂帶位移曲線基本一致。

圖5 彈頭-外層Y向沖擊力

圖6 撕裂帶Y向位移(無內(nèi)壓)

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，在彈頭出筒過程中，有內(nèi)壓和無內(nèi)壓工況下彈頭與緩沖層之間沖擊力的最大值分別為1 186 N和1 205 N，彈頭與頭罩外層之間沖擊力的最大值分別為108 N和110 N，頭罩外層內(nèi)側(cè)的均布內(nèi)壓對沖擊力的影響很小。