垂直发射弹头冲击力仿真研究

陆 宇， 杨 洋， 赵 铮

(1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南省水下智能装备重点实验室， 郑州 450015; 2.南京理工大学能源与动力工程学院， 南京 210094)

采用水下垂直发射方式，具有贮存量大、火力强、能实施饱和攻击、可实现全方位攻击、发射装置灵活、使用方便等显著优点[1-3]。出筒阶段是潜射导弹从发射到打击目标过程中需要重点关注的。因为它是导弹水中弹道的起点，直接影响水弹道的优劣，并进而决定着导弹能否最后安全成功发射，随后导弹能否继续其出水、空中弹道的飞行和完成最后的对敌打击，这使它成为水下发射研究的一个热点[4]。尚书聪等[2假设潜射导弹发射速度为垂直方向，利用FLUENT软件研究了潜射导弹出筒过程，分析其流场特性]。张红军等[5]在考虑艇速影响的条件下，采用Mixture多相流模型并利用动网格技术，对潜射导弹过程进行了三维数值模拟，研究了弹出筒过程中的流体流动特性。孙船斌等[6]研究了在导弹水下垂直发射过程中，减震垫特性对出筒过程中导弹横向振动的影响。并根据动量和动量矩定理建立了导弹在出筒过程的动力学模型，分析了导弹在筒内横向运动的自由振动特性，得到了导弹在发射平台坐标系下的横向振动方程。巩明等[7]采用有限段法构建了导弹模型，对导弹水下垂直发射过程进行动力学分析，结果与试验基本一致。Dyment A等[8]在导弹冷发射情况下，采用 VOF模型数值模拟了出筒过程中尾空泡的形成，并验证数值模拟的准确性。Kunz等[9]在模拟潜射导弹垂直出筒过程中，给出了一种隐式求解算法，并利用了网格变形技术，取得了较好的结果。J.J.Yagla等[10]对垂直发射出筒过程的动力环境进行深入研究，通过研究发现在筒内直接采用发动机点火能够为潜射导弹的航行提供一个充足燃气，保证潜射导弹由出筒到开始一直到完成出水。

本文利用LS-DYNA对弹头冲击过程进行仿真计算，LS-DYNA具有非常成熟的接触算法，在冲击动力学领域得到了广泛应用[11，12]。本文对水下垂直发射装置进行建模，分别对有内压和无内压工况下进行仿真计算，分析弹头与缓冲层之间以及弹头与头罩外层之间冲击力的最大值，分析内压对弹头受到冲击力的影响。

1 计算模型

垂直发射装置平面结构示意图如图1。装置由弹体、法兰、缓冲层、头罩内层、头罩外层、外层薄弱区、撕裂带共7部分组成，其中头罩内层由大小相等的四瓣组成。有内压和无内压工况下，计算模型均带有缓冲层。

图1 垂直发射装置平面结构示意图

仿真模型由弹体、法兰、缓冲层、内层头罩、外层头罩和撕裂带六部分组成。其中，弹体为钢、法兰为刚体、缓冲层为橡胶、头罩内层为铝合金、头罩外层为锦纶，撕裂带为芳纶，有限元模型如图2所示。

该模型为平面对称结构，可建立1/2模型，在对称面施加对称约束。法兰固定在发射筒上，可设置为全约束。头罩外层的底部固定在法兰上，也设置为全约束。缓冲层与头罩内层定义为粘接。计算中采用的发射装置材料参数见表1。撕裂带根部设置为全约束，顶部与头罩外层设置为固连接触。有限元模型各部分均定义罚函数接触。头罩外层内侧承受均布压力为0.05 MPa，对于无内压的情况，头罩外层内侧承受均布压力为0 MPa。对于仿真计算的初始条件，弹体在0时刻的速度为0.82 m/s，加速度32.98 m/s2。

图2 有限元模型

表1 发射装置各部件材料参数

2 弹出筒过程分析

数值仿真分析计算0.1 s时程，LS-DYNA求解计算得到仿真结果后，采用LS-PREPOST软件进行后处理。图3为有内压和无内压两种工况下，弹在出筒过程中不同时刻的状态。由图可以看出，弹头出筒过程中，先与缓冲层发生碰撞，再与头罩外层发生碰撞。

图3 两种工况下不同时刻状态

图4反映了无内压和有内压情况下，弹头和缓冲层之间沿发射方向的冲击力。通过后处理得出其到达峰值的时间分别为5.7 ms和5.1 ms，峰值的大小分别为1 205 N和1 186 N。

图4 弹头-缓冲层Y向冲击力

由图4可以看出：内压对弹头-缓冲层之间的冲击力影响不大。图5反映了无内压和有内压情况下，弹头与头罩外层之间沿发射方向的冲击力。同样通过后处理可得到其到达峰值的时间分别为36.0 ms和52.0 ms，峰值的大小分别为110 N和108 N，内压对弹头与外层之间的冲击力影响也较小。图6为两种工况下撕裂带沿发射方向的位移曲线，可以看出在弹出筒过程中撕裂带位移曲线基本一致。

图5 弹头-外层Y向冲击力

图6 撕裂带Y向位移(无内压)

3 结论

仿真结果表明，在弹头出筒过程中，有内压和无内压工况下弹头与缓冲层之间冲击力的最大值分别为1 186 N和1 205 N，弹头与头罩外层之间冲击力的最大值分别为108 N和110 N，头罩外层内侧的均布内压对冲击力的影响很小。