折疊尾翼展開水動力載荷與展開規律分析

劉 曜， 李文立， 李治濤

（1.中國船舶集團有限公司第713 研究所， 河南鄭州 450015； 2.河南水下智能裝備實驗室， 河南鄭州 450015；3.海軍裝備部重大專項裝備項目管理中心， 北京 100071）

0 引言

某水下航行體為適配水平魚雷發射管、 具有一定的爬升力矩和縱向穩定性， 水下航行體尾翼采用了折疊式結構。水下航行體尾翼折疊合抱后裝入發射管，當水下航行體發射以一定速度離開發射管一定距離后， 尾翼固定機構解鎖， 同時在流體作用在翼舵上的力和轉軸扭簧力矩的共同作用，合抱狀態的尾翼迅速展開至到位并鎖定。

某水下航行體水下航行時是是處于無動力上浮狀態，其橫滾通道抗干擾能力最弱。 為提高其抗橫滾特性，水下航行體采用了折疊尾翼技術， 以適應與潛艇雷彈發射裝置結構匹配的需要和水下彈道穩定性的需要。 折疊尾翼展開過程的同步性， 對某水下航行體彈道穩定性和出水姿態指標起著至關重要的作用。

尾翼展開過程規律是評估水下航行體初始水彈道性能的重要特性參數， 在一定程度上它影響到水下航行體水中彈道的穩定性和安全性。同時，尾翼在極短時間內展開到位所引起的沖擊載荷， 也是對尾部殼體結構強度的嚴重考驗。因此，有必要對折疊尾翼展開過程尾翼所受流體載荷及其展開規律特性進行計算研究。

1 折疊尾翼組成與展開過程

1.1 折疊尾翼組成與展開

如圖1 所示， 水下航行體的尾翼由斜翼和水平翼構成，在水平翼上安裝有可動舵板。 斜翼由固定部分和活動部分形成。 固定部分的斜翼與尾部殼體是鑄造在一起的，而活動斜翼與水平翼是鑄造在一起的。 活動斜翼與固定斜翼通過轉軸而連接。 轉軸設計為扭力桿型式（起到扭簧的作用），提供尾翼展開的初始啟動力矩。

圖1 水下航行體折疊尾翼組成與展開過程示意圖

1.2 展開過程流體力工程估算方法

由于折疊尾翼的形狀和運動的過程都是很復雜的，因此要精確計算流體作用在其上的力和力矩比較困難，初步設計時可采用工程估算的方法：將尾翼分為斜翼、水平翼和舵三個部分， 假定力的作用點分別都在它們的形心上， 并分別采用形心上的流體質點相對尾翼的速度矢量為流體對斜翼、水平翼和舵的繞流速度。 這樣一來，由于水下航行體主體的航行運動及尾翼本身的展開運動，使得流經尾翼上的流體在斜翼、 水平翼和舵上產生了攻角，它們分別是：

式中：δ—舵角；n12—符號系數；u、v、w 分別為水下航行體質心處的速度在彈體系上的三個速度分量；p、q、r 分別為水下航行體角速度矢量在彈體系上的三個分量，β0為固定斜翼叉角；xc、yc、zc分別為水下航行體重心在彈體系上的三個坐標值。

因流經斜翼、水平翼和舵上的流動存在一個攻角，所以流體作用在其上就有一個法向力， 這個法向力可以促進或者阻止尾翼的展開。

因尾翼處在水下航行體主體運動所形成的尾流場中，尾流流線向內收縮，也會產生一個附加攻角。 本文在估算尾流場時，不考慮尾翼且水下航行體主體攻角為零。尾流場速度矢量用速度模｜和尾流傾角θw來表征。斜翼和水平翼（包括舵）的質心都處在同一個尾流斷面上，所以尾流場速度僅僅是徑向距離Rm的函數，見圖2。

圖2 尾流場速度矢量

尾流傾角θw使流體在尾翼上產生一個促使其合攏（阻止展開） 的力矩。這個力矩隨著θw增大而減小。在水平翼、舵、斜翼上的攻角分別是

式中：εw—尾流因子；L1—水平翼半寬；L2—水平翼形心到水下航行體主體縱軸的距離；L3—斜翼和水平翼交線與水下航行體軸的距離；L4—斜翼形心到水下航行體主體縱軸的距離；L5—斜翼半寬；L6—斜翼和固定斜翼交線與水下航行體軸的距離。

流體對斜翼、水平翼和舵的實際繞流攻角分別則為

于是流體作用在斜翼、水平翼和舵上的法向動力為

將Fnq、Fnh、Fnr對轉軸取矩，可得到作用在尾翼上的流體動力對轉軸產生的力矩：

式中：mq'—斜翼的剩質量 （減去浮力后的質量）；mhr'—水平翼和舵的剩質量之和。

進一步優化設計時， 需要采用流體力學仿真軟件對尾翼展開力、 力矩進行流場仿真計算。 本文使用ANSYS FLOTRAN 軟件模擬計算折疊尾翼展開過程中若干時刻的流場，得到各個時刻流場下尾翼表面的壓力分布，進一步計算出流體作用在折疊尾翼上的力和力矩 （包括動力和阻力）。

2 基于ANSYS FLOTRAN 的尾翼展開過程建模

2.1 尾翼展開過程受力分析

折疊尾翼在展開過程中，主要受到四個力的作用：重力Fg、浮力Ff、流體動力Fd和流體阻力Rf，而扭力桿的力矩只在尾翼展開啟動的一瞬間起作用。 設重力Fg、 浮力Ff、 流體動力Fd和流體阻力Rf對轉軸的力矩分別為Mg、Mf、Md和MR， 尾翼和其上的附加水質量對轉軸的轉動慣量分別為J 和Jf，尾翼的展開角為θ（29°～135°之間，參見圖3），則尾翼的展開運動方程為：

圖3 尾翼展開角和舵角

Mg、Mf、Md和MR都隨著θ 的變化而變化。 Mg與Mf可合在一起考慮，只須將尾翼的材料密度減去水的密度。尾翼重力的作用點近似在其形心上， 使用UG 建立尾翼的模型算出其體積V 和形心的位置（參見圖4），則通過運算可得重力、浮力對轉軸的合力矩為：

圖4 尾翼的形心

2.2 尾翼展開過程分析

將尾翼展開角分成若干區間：θ0～θ1，θ1～θ2…θi-1～θi，…θn-1～θn，設尾翼在每個區間都以該區間的起始時刻的速度和加速度做勻加速直線運動， 經過每個區間所用的時間分別為t1，t2，…ti，…tn。 使用ANSYS FLOTRAN 計算每個時刻尾翼所受的流體動力矩Md，則計算流程如下：

（1）i=1 時

（2）i≥2 時

根據使用ANSYS 計算θi-1～θi區間內尾翼所受的流體阻力矩MRi

2.3 流場力的計算

2.3.1 計算尾翼展開流體動力

為了計算流體對尾翼的動力， 對折疊尾翼做適當的工程簡化：首先將舵和翼合并為一個整體，其次去掉轉軸部分，最后將翼邊緣的小平面和圓角等細小特征去掉。水下航行體在水中水平運動時， 迎流場經過水下航行體頭部端面1000mm 即恢復為前方來流且基本保持到距尾端面1500mm 的截面位置處， 因此水下航行體的尾流場可以從距尾端面1500mm 處算起。

根據以上分析建立模型如圖5 所示。 因為尾部結構外形左右對稱， 故取一半進行計算。 以FLOTRAN142 單元劃分四面體單元，并在尾翼表面進行細化。

圖5 尾翼流體動力計算模型

2.3.2 計算尾翼展開流體阻力的模型

折疊尾翼在極短的時間內展開到位， 必然受到較大的阻力。為了計算某時刻的阻力，假設尾翼以該時刻的角速度ω 繞轉軸在流體中旋轉， 計算其所受的阻力作為該時刻尾翼所受的阻力。為便于加載，將尾翼固定不動而讓流體以-ω 繞尾翼轉軸流動（參見圖6）。據此建立模型，并將出口延長一段以便計算容易收斂。

圖6 尾翼阻力計算模型

以FLOTRAN142 單元劃分四面體單元， 并在尾翼表面進行細化。

3 仿真結果與分析

3.1 流體動力仿真結果與分析

根據以上方法， 計算尾翼展開到位時所受的流體動力和ω=100°/s 時的流體阻力，結果如圖7～圖10 所示。

圖7 尾翼展開到位時的流場

圖8 尾翼展開到位時流場在尾翼表面的載荷分布

圖9 ω＝100°/s 時的阻力流場

圖10 ω＝100°/s 時阻力流場在尾翼表面的載荷分布

可以看出， 在展開動力流場中尾翼所受的最大載荷在前部邊緣， 而在阻力流場中最大載荷在斜翼下表面靠后的地方。 利用ANSYS 的后處理可以方便的獲得尾翼所受的流體力對轉軸的轉距： 展開到位時的動力矩Mde=450Nm，ω=100°/s 時的阻力矩為MR100=7Nm。

3.2 尾翼展開過程仿真結果與分析

針對水下航行體在航速17m/s 與舵角-17°（舵角上打為負）的情況下折疊尾翼（鋁質）的展開運動規律進行仿真， 仿真結果如圖11～12 所示。 由于尾翼展開速度較快，阻力很快增大到與展開動力基本一致，因此尾翼經過一個短暫的加速段后加速度急劇減小， 大致以勻速完成剩余的展開過程。 尾翼展開的過程共耗時0.166s，與試驗測量結果（0.18s 左右）比較符合。

圖11 尾翼流體力矩曲線

3.3 水池拖車試驗測量尾翼展開規律

圖13 所示為水池拖車試驗測量的尾翼展開規律。試驗中采用與水下航行體比例為1∶1 的模型， 舵角-17o，將模型剛性地固定在拖車上， 拖車在水池中做8m/s 的勻速運動。 圖12 與圖13 對比可以看出，計算與測量的尾翼展開角曲線趨勢基本一致， 而計算的速度變化曲線相對緩慢些，這是因為拖車的速度較小的緣故。 如果將圖12（b）中的速度上升段放大如圖14 所示，則它與圖13（b）也較為相似。因此，本文水下航行體尾翼展開過程載荷計算方法是可行的，展開規律特性是與實際情況相符的。

圖12 尾翼展開運動規律

圖13 水池拖車試驗尾翼展開規律測量結果

圖14 尾翼展開角速度上升段

4 結論

本文以ANSYS FLOTRAN 為工具， 對某水下航行體折疊尾翼展開過程中的外流場進行數值仿真計算， 獲得不同時刻尾部流體載荷分布。 利用載荷仿真結果對尾翼的展開特性進行了計算分析并在拖曳進行了試驗測量。根據以上仿真和試驗測量結果分析得到以下結論：

（1）與試驗結果對比，數值分析與試驗測量的尾翼展開結果基本一致根據。

（2）本文采用的以ANSYS FLOTRAN 為工具，對某水下航行體折疊尾翼展開過程中的外流場進行數值仿真計算，然后利用載荷對尾翼展開特性進行計算的方法可行，具有工程指導意義。