某型装备击水过程仿真分析

吉礼超，夏庆升，贾 磊，李 宁

(海军驻重庆地区军事代表局，重庆401121)

0 引言

目前，具有搭载某型装备的主战平台有很多，但具备某种作战模式下搭载该型装备的平台却很少。因此，对该型装备进行改进，使其能满足某型主战装备搭载的需要，能很好地解决某种作战模式下搭载该型装备的问题，提高搭载该型装备的成功率，具有重要的军事意义。

由于能搭载该型装备的平台具有超低空、大速度的能力，突防能力强，导致该型装备击水冲击强度大，击水速度快，击水冲击力大，容易出现损坏的严重后果。因此通过加强仿真分析力度，为该型装备的设计提供有效的数据支持，具有重要意义。

1 LS-DYNA软件及击水仿真方案说明

作为世界上最著名的通用显式动力分程序，LSDYNA软件能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显示求解程序的鼻祖和理论基础，在工程应用如汽车安全设计、武器系统设计、金属成型、跌落仿真等领域被广泛认可为是最佳的分析软件包。

LS-DYNA软件以ALE算法为主，兼有Lagrange和Euler算法，以显式求解为主，兼有隐式求解功能。ALE结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点，其时间积分采用中心差分格式，克服了各自的缺点，成为目前非线性连续介质力学中大变形分析的十分先进的有效方法。图1是运用Ansys/LS-DYNA仿真分析的处理过程。该过程重点是网格划分和K文件的编写，同时由于该过程涉及到流固耦合，因此本过程计算也是仿真项目耗时最多的计算任务。

图1 入水冲击计算流程图Fig.1 The shock calculation flow chat of splashing into the water

2 击水过程仿真分析

本次仿真坐标系有大地坐标系和装备坐标系。

大地坐标系:原点在装备头部，x轴过装备轴线指向水平方向，y轴指向竖直向上，z轴垂直x-y平面。

装备坐标系:原点在装备质心位置，x轴与装备轴重合指向尾部，y轴在竖直平面内垂直x轴，z轴垂直x-y平面。

选取4个典型条件下该型装备的初始条件进行仿真分析，其中A为装备头部节点，B为装备尾部节点，仿真结果如下:

图2 击水过程有限元模型和坐标系Pig.2 The finite element model and grid system of splashing into the water process

1)平台速度820 km/h，高度47 m，该型装备击水瞬间初始条件见表1。

表1 击水瞬间初始条件Tab.1 The instant initial condition of splashing into the water

图3 77°(与垂直方向夹角)入水过程Fig.3 The splashing into the water process at 77°(the angle at vertical direction)

从图3可以看出，在0.026 s时，装备尾部撞击到水袋边缘，形成二次冲击，在后面的动力特性曲线中可以体现出来。

图4 入水瞬间加速度曲线(最大值2 302 m/s2，脉宽0.002 5 s)Fig.4 The acceleration curve at the splashing into the water moment(the most 2 302 m/s2，pulse width 0.002 5 s)

由于受到头部水冲击力作用，该作用力产生力矩作用，使装备产生绕Z轴方向的旋转，从而使头部Y方向速度减小，尾部Y方向速度增大。0.025 s时A点的Y向速度减小到了0，随后产生向上的速度，使装备抬头。

尾部加速度曲线在0.026 s时出现第2个峰值1 394 m/s2，表明装备尾部在该时刻撞击到水袋边缘。从装备姿态变化曲线可看出，装备姿态角从75°增大到了90°，也就是装备已经处于水平状态。

2)平台速度560 km/h，高度65 m，装备击水瞬间初始条件见表2。

表2 击水瞬间初始条件Tab.2 The instant initial condition of splashing into the water

图11 67°入水过程Fig.11 The splashing into the water process at 67°

从图11可清楚地看到击水过程产生的空化现象。浅色与深色之间的是气、液二相状态，不但可以看到尾部击水，还可看到尾部击水后卷起的水气。

从图12～图15可以判断，平台以560 km/h的速度从72 m的高度进行投放，装备倾角向垂直方向趋于增大，头部径向过载峰值为146个重力加速度(约1 460 m/s2)。

下面是2种极限状况的击水过程，一种是平台以820 km/h的速度从1 000 m高度进行投放，讨论该种情况主要是由于980 m投放，装备下降过程会出现平衡速度，是伞降的一个普遍现象;另一种是以820 km/h的速度从47 m高度进行投放，装备以47°击水过程，该过程通过仿真可知很难出现，因为装备是静稳设计，以47 m投放时俯仰角在击水时不会变动如此剧烈，但考虑到击水过载与击水速度有很大关系，47 m投放击水速度最大，为防止极端情况出现，在此处还是对该情况进行了讨论，主要提供过载的一种极限参考。首先是980 m击水过程，然后是47 m，47°击水过程的仿真分析。

3)投放速度820 km/h，高度980 m，装备击水瞬间初始条件见表3。

表3 击水瞬间初始条件Tab.3 The instant initial condition of splashing into the water

4)平台速度820 km/h，高度47 m，击水瞬间初始条件见表4。

表4 击水瞬间初始条件Tab.4 The instant initial condition of splashing into the water

图21 47°入水过程Fig.21 The splashing into the water process at 47°

图26 头部径向加速度曲线 (最大值1 297 m/s)Fig.26 The acceleration curve of head at radial direction(the most1 297 m/s)

3 结语

目前基于LS-DYNA做过航空类装备项目，其入水冲击与实验值完全在一个量级上，与美国海军军械所提供的检验标准也基本一致，具有较高的仿真可信度。通过对以上4个典型条件下该型装备的初始条件进行仿真分析，可以得出平台投放该型装备的最大击水过载、脉宽、入水姿态角等参数，可以为该型装备的设计提供有效的数据支持。

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