水陸兩棲飛機船體著水載荷數值與試驗分析

褚林塘， 孫　豐， 廉滋鼎， 焦　俊， 王明振

(1. 高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門　448035; 2. 中航工業特種飛行器研究所，湖北 荊門　448035;3. 中航通用飛機有限責任公司，廣東 珠海　519000)

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水陸兩棲飛機船體著水載荷數值與試驗分析

褚林塘1,3， 孫豐1,2， 廉滋鼎1,2， 焦俊1,2， 王明振1,2

(1. 高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門448035; 2. 中航工業特種飛行器研究所，湖北 荊門448035;3. 中航通用飛機有限責任公司，廣東 珠海519000)

水陸兩棲飛機的著水載荷是影響結構設計的主要因素之一。應用數值仿真與模型試驗相結合的方法對船體著水載荷進行了研究。數值仿真建立了包含空氣場的有限元模型，計算了不同船底截面形式、結構重量、入水速度下的楔形體局部砰擊壓力變化及分布，并同模型試驗結果進行了對比。結果表明，數值結果與模型試驗值吻合良好，并得到了兩種截面形式的壓力分布規律，可為水陸兩棲飛機船體構型的設計提供參考。

水陸兩棲飛機；楔形體；入水砰擊；數值仿真；試驗

結構物入水有著廣泛的工程背景，如水上/水陸兩棲飛機、地效翼船及宇宙飛船的水面降落、陸機的水上迫降、船舶的艏部砰擊、水中兵器的空投入水等問題。結構物入水是典型的流固耦合問題，結構受沖擊的同時也會激起流體的運動，撞擊過程中結構的運動與變形又會影響流體的運動[1-2]，整個過程一直存在流體與結構的耦合作用，作用過程復雜。

入水沖擊載荷歷程短、峰值高，容易引起結構破損、儀器失靈、控制失效、人員傷亡等危害，因此開展結構物入水載荷研究具有重要的工程應用價值。由于入水問題的復雜性，工程實際問題理論分析困難，因此試驗及數值方法成為了開展相關研究的主要手段。Chuang[3]通過試驗分析了平底結構及小斜升角楔形體的剛體入水問題，指出對于小斜升角入水問題不應忽略空氣墊效應。Ei-Mahdi等[4]提出了一種用于預測最大著水沖擊壓力的方法，并通過實驗驗證了該方法的有效性[4]。陳震[5-6]應用MSC.Dytran軟件對平底結構入水過程中空氣墊對砰擊的影響進行了分析，得出砰擊壓力的峰值主要是由空氣層的壓縮而產生的結果，并研究了砰擊壓力峰值系數同入水角度和入水速度的關系。陳小平等[7]應用試驗與數值方法分析了彈性效應對楔形體的砰擊壓力和結構應力響應的影響。駱寒冰等[8]考慮了水彈性效應，采用ALE 顯式有限元方法開展了數值預報工作。孫輝等[9]應用試驗方法對斜升角、板厚、落高及配重對二維楔形體入水沖擊響應的影響進行了研究。莫立新等[10]對楔形體剛度對沖擊響應的影響進行了試驗研究。閆發鎖[11]通過相關的理論和試驗對比研究了圓球傾斜入水沖擊壓力的性質，用理想不可壓流體中氣泡的非線性振動方程解釋了沖擊壓力下降階段出現的振蕩性質。

在水陸兩棲飛機的船體設計中，出于對噴濺、載荷等性能的考慮，船體橫截面基本采用了由無舭彎過渡到有舭彎的構型。文中基于貼近實際的考慮，選取了兩種典型水陸兩棲飛機的船體剖面為研究對象，通過數值仿真與模型試驗相結合的方法，分析了船體構型、重量及入水速度等對楔形體表面壓力變化及分布的影響規律，可為開展相似船型的飛機船體外形設計提供有效借鑒與參考。

1　數值仿真模型

本文應用LS-DYNA 非線性有限元軟件，基于ALE算法對楔形體入水問題進行分析，楔形體結構采用殼單元shell163，單元算法為Lagrange列式, 流體采用體單元solid164，單元算法為ALE列式。將流體與結構的接觸面設置為耦合面, 采用罰函數方法來實現界面處耦合力的傳遞。

圖1為楔形體入水有限元分析模型，流體模型分為空氣域與水域，流體域長寬分別為模型的2倍，高度方向上水域0.5 m、空氣域0.3 m，基本滿足無反射邊界條件。由于本文只研究結構形式對撞水載荷的影響，不關心結構響應，因此楔形體采用剛體材料模型。

圖1　有限元分析模型Fig.1 FE model

在LS-DYNA 中采用本構模型和狀態方程來同時描述流體材料，通過空材料模型* MAT _ NULL來定義材料屬性，通過Gruneisen狀態方程給出水和空氣的壓力和體積的關系[2]:

式中：p為壓力；ρ0為初始密度；μ為密度變化率；E為單位體積內能；C、S1、S2、S3、γ0、a為材料常數。

如前所述，楔形體外形分別采用了以CL-415飛機和US-2飛機為代表的無舭彎的V型橫截面和帶舭彎的弧形橫截面型式，并分別稱之為1#模型和2#模型(模型試驗中相應地稱之為1#試驗件、2#試驗件)。圖2為2#模型在某工況下三個時刻的仿真入水過程。

圖2　入水仿真過程Fig.2 Simulation process of entry water

2　試驗設計

2.1試驗裝置及模型

入水撞擊模型試驗過程中，試驗件安裝示意圖如圖3所示。試驗件懸掛在電磁鉤上之前，先將其在平臺上調平。試驗中變化試驗件離水面的兩個高度，分別為0.45 m和0.80 m。待采集系統裝備完畢后，脫開電磁鉤，采用自由落體的方式實現垂直入水撞擊過程，每個試驗狀態重復3～5次，在試驗件的左右兩側對稱部位布置壓力傳感器，根據對稱壓力傳感器的測量值判定是否垂直入水。

圖3　試驗件安裝示意圖Fig. 3 Diagram of the experimental set-up

1#試驗件和2#試驗件均為等橫截面楔形體，有較好的水密性，在內部設置了加強框架，基本滿足剛性體試驗要求。試驗件主尺度為1 m×0.8 m×0.5 m，截面型線如圖4所示。

圖4　楔形體橫截面對比Fig.4 The difference of two wedges

在試驗件底部同一橫截面處布置有7個壓力傳感器見圖5和表1，主要用來研究局部壓力變化和壓力沿橫截面分布規律，分析對比不同橫截面的水載荷特性。其中，4#傳感器與6#傳感器、3#傳感器與7#傳感器均相對于對稱面對稱布置，用于判定試驗件是否垂直入水。

圖5　壓力傳感器布置圖Fig.5 Diagram of the collocation of pressure transducer

傳感器編號距離對稱面的距離/mm1#試驗件2#試驗件128037022502803150180475100530306751007150180

2.2試驗過程

本文主要分析不同重量、入水速度下楔形體試驗件的入水撞擊壓力大小及分布，模型試驗包含兩個下落高度、兩個重量狀態，具體試驗參數及工況見表2，表中兩個下落高度分別對應3 m/s和4 m/s的入水速度。圖6為2#模型在某工況下的入水過程。

表2　工況設置

圖6　入水試驗過程Fig.6 Experiment process of entry water

3　試驗與仿真對比分析

3.1壓力時間歷程

圖7為一某工況中兩個對稱布置壓力傳感器測量值對比曲線，用來判斷楔形體是否垂直入水，可以看出兩條曲線峰值壓力基本相同，變化趨勢稍有差別，基本滿足對稱性要求，由此可判定該工況下楔形體垂直入水。

圖8給出了某工況下各測點壓力的試驗值與仿真值的對比曲線，由圖可知除P1傳感器處外，試驗值與仿真計算值整體偏差不大，二者吻合比較好，但仿真計算壓力跳躍現象嚴重。每個傳感器的峰值壓力隨著楔形體浸沒深度的增加依次出現，且隨著測點距對稱面距離的增大壓力到達時刻的數值解與試驗值偏差呈增大趨勢。表3為各測點處壓力峰值誤差分析結果，隨著偏離中面的距離增大，壓力峰值逐漸減小，壓力峰值誤差呈增大趨勢，最大誤差為29.80%。

圖7　垂直入水驗證Fig.7 The validation of entry water vertically

傳感器編號P5P4P3P2P1數值峰值/kPa17.6115.339.786.865.88試驗峰值/kPa15.6913.217.915.604.53誤差/%12.2416.0523.6422.5029.80

3.2壓力分布分析

對于水陸兩棲飛機而言，若飛機對稱著水，針對無舭彎的船底，由于觸水速度和浸水深度的影響，舭處的壓力為龍骨處壓力Pk的75%，龍骨與舭處的壓力成線性分布，如圖9[12]右側標注所示；對于帶舭彎的船底，由于舭處壓力要比無舭彎的船底壓力要略大，舭彎起點處的壓力與無舭彎船底的壓力相同，舭部壓力Pch和舭彎起點壓力之間、龍骨與舭彎起點之間的壓力分別成線性分布，如圖9左側的分段線性標注。即，針對無舭彎的橫截面，局部壓力沿橫向從大到小線性分布；有舭彎的船底，局部壓力沿橫向大-小-大分布[12]。

圖8　各測點處壓力變化曲線Fig.8 Graphs of pressure on the transducers

圖9　橫向壓力分布Fig. 9 Transverse pressure distributions

圖10和圖11分別給出了兩個模型在不同重量狀態和不同入水速度下的壓力峰值沿楔形體截面的橫向分布情況，圖例中的N1、N2分別代表1號楔形體和2號楔形體，可以看出仿真值與試驗值變化趨勢相似，試驗件重量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大；同一入水速度不同重量下底部壓力沿橫截面方向分布趨勢相同，且隨重量的增加而增大；同一重量不同入水速度下，距離對稱面越遠，入水速度不同引起的壓力變化越小。從局部壓力沿橫向分布規律來看，無舭彎模型局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；帶舭彎模型局部壓力沿橫向大-小-大的非線性分布。綜合看來，帶舭彎模型較無舭彎模型對重量和速度的變化更敏感；此外除個別測點外數值仿真結果普遍較試驗值偏大，這可能是由軟件中的耦合算法導致的，LS-DYNA軟件采用的是罰函數法來處理流固界面處的耦合，這種算法計算界面壓力時受參數設置影響較大，且相關參數值尚沒有明確的標準，目前基本采用推薦值，后續可在這方面展開深入研究。

圖10　楔形體不同重量下壓力沿橫向分布情況Fig.10 The pressure of wedge with different mass

圖11　楔形體不同速度下壓力沿橫向分布情況Fig.11 The pressure of wedge with different velocity

4　結　論

文中給出了楔形體入水過程中的壓力時程變化及壓力分布的試驗與數值對比結果，對截面構型、重量、入水速度三個主要因素對著水載荷的影響進行了探討。得到的主要結論如下：

(1) 楔形體各測點壓力時程變化趨勢和壓力分布的試驗值與數值結果吻合較好，驗證了數值方法的有效性；耦合算法帶來的數值噪聲引起仿真結果較試驗值普遍偏大，但其對于水陸兩棲飛機的載荷預報是偏于保守的，可滿足工程需要，后續可對耦合參數的合理選取做進一步的研究。

(2) 楔形體重量及入水速度越大，著水沖擊載荷越大，但底部壓力沿橫截面方向分布趨勢相同；帶舭彎模型較無舭彎模型對重量和速度的變化更敏感。

(3) 無舭彎的橫截面局部壓力沿橫向從大到小非線性分布；有舭彎的船底局部壓力沿橫向呈大-小-大非線性分布。

[1] 王永虎，石秀華.入水沖擊問題研究的現狀與進展[J].爆炸與沖擊，2008,28(5)：276-282.

WANG Yong-hu,SHI Xiu-hua . Review on research and development of water2entry impact problem[J]. Explosion and shock wave，2008,28(5)：276-282.

[2] 孫琦, 周軍，林鵬. 基于LS-DYNA的彈體撞水過程流固耦合動力分析[J]. 系統仿真學報,2010,22(6):1498-1501.

SUN Qi, ZHOU Jun, LIN Peng.Dynamic analysis of fluid-structure interaction for water impact of projectile using LS-DYNA[J].Journal of System Simulation,2010,22(6):1498-1501.

[3] Chuang S L. Slamming tests of three-dimensional models in calm water and waves[J]. Naval Ship Research and Development Center Bethesda, MD, US Department of Commerce, National Technical Information Service, 1973.

[4] Ei-Mahdi Yettou, Alain Desrochers, Yvan Champoux. Experimental study on the water impact of a symmetrical wedge [J].Fluid Dynamic Research, 2006, 38, 47-66.

[5] 陳震，肖熙.空氣墊在平底結構入水砰擊中作用的仿真分析[J].上海交通大學學報，2005,39(5):670-673.

CHEN Zhen, XIAO Xi. Simulation analysis on the role of air cushion in the slamming of a flat-bottom structure[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2005,39(5):670-673.

[6] 陳震，肖熙.二維楔形體入水砰擊仿真研究[J].上海交通大學學報，2007,41(9)：1425-1428.

CHEN Zhen, XIAO Xi. The simulation study on water entry of 2D wedge bodies [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007,41(9)：1425-1428.

[7] 陳小平，李軍偉，王輝,等. 大尺度楔形體板架鋼模落體試驗和仿真研究[J].船舶力學, 2012, 16(10): 1152-1163.

CHEN Xiao-ping, LI Jun-wei, WANG Hui, et al. Experiments and numerical investigation of water entry of large-scale steel wedge models [J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16(10): 1152-1163.

[8] 駱寒冰,張智,王輝. 三維加筋板楔形體結構水彈性砰擊的ALE數值模擬研究[J]. 船舶力學，2013，17(1/2)：84-89.

LUO Han-bing, ZHANG Zhi, WANG Hui. Hydroelastic simulation of one 3D free-drop wedge with stiffened panels using ALE method [J]. Journal of Ship Mechanics, 2013,17(1/2):84-89.

[9] 孫輝，盧熾華，何友生.二維楔形體沖擊入水時的流固耦合響應的試驗研究[J].水動力學研究與進展,2003,18(1):104-109.

SUN Hui, LU Zhi-hua, HE You-sheng. Experimental research on the fluid-structure interaction in water entry of 2D elastic wedge[J]. Journal of Hydrodynamics,2003,18(1):104-109.

[10] 莫立新，王輝，蔣彩霞等. 變剛度楔形體板架落體砰擊試驗研究[J].船舶力學, 2011, 15(4): 394-401.

MO Li-xin, WANF Hui,JIANG Cai-xia. Study on dropping test of wedge grillages with various types of stiffeness [J]. Journal of Ship Mechanics, 15(2011): 394-401.

[11] 閆發鎖，孫麗萍，張大剛,等.圓球傾斜入水沖擊壓力特征的實驗研究[J].振動與沖擊,2015,34(8):214-218.

YAN Fa-suo,SUN Li-ping,ZHANG Da-gang,et al.Impacting pressure characteristics during oblique water entry of a sphere[J].Journal of Vibration and Shock,2015,34(8):214-218.

[12] 孫俠生.民用飛機結構強度剛度設計與驗證指南[M].北京: 航空工業出版社, 2012: 282-284.

Numerical simulation and tests for water load of amphibious aircraft hulls

CHU Lintang1,3, SUN Feng1,2, LIAN Ziding1,2, JIAO Jun1,2, WANG Mingzhen1,2

(1. Key Aviation Scientific and Technological Laboratory of High-Speed Hydrodynamics, Jingmen 448035, China; 2. AVIC Special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China;3. China Aviation Industry General Aircraft Co., Ltd, Zhuhai 519000, China)

Water load of amphibious aircrafts is one of the main factors influencing their structural design. The water load of amphibious aircraft hull was studied with numerical simulation and model test approach. Its finite element model included an air field. The local slamming pressure variation and distribution were calculated with different cross-sections of hull bottom, varying structural weight and speeds entering water. The results were compared with test ones. The results showed that the numerical results are in good agreement with model test data. The pressure distributions of two hull cross-sections were obtained, they provided a reference for amphibious aircraft hull configuration design.

amphibious aircraft; wedge; slamming into water; numerical simulation; test

航空科學基金(20120191326091);中航工業科技創新基金(2013A60505R)

2015-09-29修改稿收到日期：2016-01-25

褚林塘 男，研究員，1969年生

V21

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.15.035