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兵器装备工程学报 2022-07-26 21:04:04

舷外发射水密隔膜破片散布范围分析

李四超¹，苏杭²，赵铮²

(1.海军驻郑州地区军代表室，郑州 450015；2.南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094)

作者简介：李四超(1977—)，男，工程师，。

本文引用格式：李四超，苏杭，赵铮.舷外发射水密隔膜破片散布范围分析[J].兵器装备工程学报，2017(7):74-77.

Citation：format:LISichao,SUHang,ZHAOZheng.Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment DuringOutboard Launching[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):74-77.

摘要：基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合计算方法，对水下舷外发射装置建立了有限元模型，，分析了水压、弹速和艇速对隔膜破片散布范围的影响，结果表明：隔膜破片在发射过程中不会与相邻单元发生干涉。

关键词：水下发射装置；水密隔膜；散布；数值模拟

随着电子计算机等高新技术的发展和在潜艇上的应用，使得现代潜艇不仅具有良好的隐蔽性、机动性，而且自持力、续航力大大增加，[1]。现今世界各国海军所拥有的潜艇种类繁多，其所配置的发射装置也各不相同。水压平衡式鱼雷发射装置通过气动发射、采用液压平衡原理，能够大深度发射鱼雷[2]。水压平衡式发射装置可以采用冷发射技术，鱼雷在滑块推动下沿发射筒内的滑轨加速，撞破水密隔膜后出筒[3]。针对水下发射过程的研究，李志华通过建立鱼雷运动模型，并通过鱼雷在出筒过程的运动状态，以此校核鱼雷发射时，潜艇的安全性[4]；李亚男通过建立小型运载器的运动方程，并运用Matlab软件计算其内弹道过程，得到其出筒速度[5]；徐勤超通过建立鱼雷运动方程组，对舰船的振荡运动在鱼雷发射入水的影响进行了分析[6]。

上述研究没有考虑发射筒的具体结构及多联装的相互影响，，计算水密隔膜破片的飞散速度和飞散直径，研究水密隔膜破片对邻筒的影响。

1 计算模型

本文的计算模型主要由水域、、，如图1所示。，发射筒前端为水密隔膜。发射筒内为淡水，筒外为海水。，水密隔膜材料为有机玻璃。

图1 计算模型示意图

2 有限元分析模型

，计算量大，计算速度慢[7]，为了将求解时间控制在可以接受的范围内，需要对计算模型进行简化，提高计算速度。本系统的有限元模型由水、、，计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格

其中水介质采用欧拉网格，采用GRUNEISEN状态方程[8]；，考虑到其变形很小，采用刚性材料[9]；水密隔膜有限元模型采用拉格朗日网格，材料为线弹性材料，水密隔膜材料失效时所受的最大主应力为35 MPa。发射装置与水域间采用流固耦合算法。计算中采用的水介质和发射装置的材料及状态方程参数如表1、表2，未给出的参数取 LS-DYNA软件和工程实践中的默认值。

表1 不同模型的材料参数

表2 水介质的材料参数

为节约求解时间，水域建模范围略大于发射筒，通过透射边界条件模拟无限水域[10]，通过施加不同的静水压力模拟水深[11]。

3 水密隔膜破片运动过程分析

采用基于LS-DYNA 软件的多物质 ALE 算法[12]，，分析了不同水深、弹速和艇速对水密隔膜破片散布程度的影响。

3.1 不同水深时的破片散布分析

图3为在发射过程中水密隔膜不同时刻下(0.13 s、0.16 s、0.20 s、0.23s)的状态变化(左视图)。随着时间的增加，水密隔膜材料达到失效应力发生破裂，破片翻转飞散。

图3 水密隔膜在不同状态下的状态变化

图4反映了不同水深，弹速为10 m/s条件下，，下为左视图)。由图4可见大部分破片的主要运动状态为翻转运动，部分破片有轴向的前进运动。为了研究破片对邻筒的影响，本文只分析破片的径向运动，不分析破片的轴向运动。

图5为不同水深下破片单元的径向速度曲线(4个单元在水密隔膜周向相隔一定距离，下同)。从曲线得出以下结论：最初的振荡对应水密隔膜被逐渐撞开的过程，随后破片速度逐渐增大，破片也逐渐翻转张开，最后破片速度逐渐接近于0，基本没有径向位移。通过提取破片的径向位移，发现在破片速度为0时，破片的径向位移约为300 mm。由此可知，随着水深的增加，破片的散布直径约为600 mm，散布直径基本不变。

3.2 不同弹速时的破片散布分析

图6反映了在150 m水深条件下，。可以看到随着弹速增加，水密隔膜在与发射筒接触的部分有较明显的单元失效，破片明显增多。

图7为不同弹速下4个破片单元的径向速度曲线。可见，弹速增加时，破片的飞散范围并没有显著增加。综合各破片单元径向位移得出散布直径为600 mm。

3.3 不同艇速时的破片散布分析

图8为在不同艇速，150 m水深，弹速10m/s条件下，。可以看出，在有艇速的情况下，破片数量更多，破片单元更小；艇速越大，在贴近发射筒的水密隔膜单元失效更多，破片也更多。

由图8可看出，大部分破片单元径向散布可以用散布直径表示。图9为不同艇速下破片单元径向速度曲线。可见，在有艇速情况下，径向速度曲线振荡加剧，但速度趋势依旧减小为0，综合各破片单元径向位移后得到散布直径为600 mm。