舷外發射水密隔膜破片散布范圍分析

李四超，蘇 杭，趙 錚

(1.海軍駐鄭州地區軍代表室，鄭州 450015；2.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094)

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舷外發射水密隔膜破片散布范圍分析

李四超1，蘇 杭2，趙 錚2

(1.海軍駐鄭州地區軍代表室，鄭州 450015；2.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094)

基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合計算方法，對水下舷外發射裝置建立了有限元模型，計算了水密隔膜在導彈(魚雷)發射過程中的破裂過程，分析了水壓、彈速和艇速對隔膜破片散布范圍的影響，結果表明：隔膜破片在發射過程中不會與相鄰單元發生干涉。

水下發射裝置；水密隔膜；散布；數值模擬

隨著電子計算機等高新技術的發展和在潛艇上的應用，使得現代潛艇不僅具有良好的隱蔽性、機動性，而且自持力、續航力大大增加，對導彈等武器系統的性能要求也不斷提高[1]。現今世界各國海軍所擁有的潛艇種類繁多，其所配置的發射裝置也各不相同。水壓平衡式魚雷發射裝置通過氣動發射、采用液壓平衡原理，能夠大深度發射魚雷[2]。水壓平衡式發射裝置可以采用冷發射技術，魚雷在滑塊推動下沿發射筒內的滑軌加速，撞破水密隔膜后出筒[3]。針對水下發射過程的研究，李志華通過建立魚雷運動模型，并通過魚雷在出筒過程的運動狀態，以此校核魚雷發射時，潛艇的安全性[4]；李亞男通過建立小型運載器的運動方程，并運用Matlab軟件計算其內彈道過程，得到其出筒速度[5]；徐勤超通過建立魚雷運動方程組，對艦船的振蕩運動在魚雷發射入水的影響進行了分析[6]。

上述研究沒有考慮發射筒的具體結構及多聯裝的相互影響，本文通過對弦外發射導彈(魚雷)出筒過程進行數值仿真分析，計算水密隔膜破片的飛散速度和飛散直徑，研究水密隔膜破片對鄰筒的影響。

1 計算模型

本文的計算模型主要由水域、導彈發射筒、水密隔膜和導彈組成，如圖1所示。導彈位于發射筒中，發射筒前端為水密隔膜。發射筒內為淡水，筒外為海水。發射筒及導彈的材料為鋼，水密隔膜材料為有機玻璃。

圖1 計算模型示意圖

2 有限元分析模型

流固耦合計算需要考慮流場和導彈運動之間的相互作用，計算量大，計算速度慢[7]，為了將求解時間控制在可以接受的范圍內，需要對計算模型進行簡化，提高計算速度。本系統的有限元模型由水、導彈發射筒、水密隔膜和導彈組成，計算域網格如圖2所示。

圖2 計算域網格

其中水介質采用歐拉網格，采用GRUNEISEN狀態方程[8]；導彈和發射筒有限元模型采用拉格朗日網格，考慮到其變形很小，采用剛性材料[9]；水密隔膜有限元模型采用拉格朗日網格，材料為線彈性材料，水密隔膜材料失效時所受的最大主應力為35 MPa。發射裝置與水域間采用流固耦合算法。計算中采用的水介質和發射裝置的材料及狀態方程參數如表1、表2，未給出的參數取 LS-DYNA軟件和工程實踐中的默認值。

表1 不同模型的材料參數

表2 水介質的材料參數

為節約求解時間，水域建模范圍略大于發射筒，通過透射邊界條件模擬無限水域[10]，通過施加不同的靜水壓力模擬水深[11]。

3 水密隔膜破片運動過程分析

采用基于LS-DYNA 軟件的多物質 ALE 算法[12]，對導彈發射過程進行了三維有限元模擬，分析了不同水深、彈速和艇速對水密隔膜破片散布程度的影響。

3.1 不同水深時的破片散布分析

圖3為在發射過程中水密隔膜不同時刻下(0.13 s、0.16 s、0.20 s、0.23 s)的狀態變化(左視圖)。隨著時間的增加，水密隔膜材料達到失效應力發生破裂，破片翻轉飛散。

圖3 水密隔膜在不同狀態下的狀態變化

圖4反映了不同水深，彈速為10 m/s條件下，導彈出筒水密隔膜破片的運動狀態(上為主視圖，下為左視圖)。由圖4可見大部分破片的主要運動狀態為翻轉運動，部分破片有軸向的前進運動。為了研究破片對鄰筒的影響，本文只分析破片的徑向運動，不分析破片的軸向運動。

圖5為不同水深下破片單元的徑向速度曲線(4個單元在水密隔膜周向相隔一定距離，下同)。從曲線得出以下結論：最初的振蕩對應水密隔膜被逐漸撞開的過程，隨后破片速度逐漸增大，破片也逐漸翻轉張開，最后破片速度逐漸接近于0，基本沒有徑向位移。通過提取破片的徑向位移，發現在破片速度為0時，破片的徑向位移約為300 mm。由此可知，隨著水深的增加，破片的散布直徑約為600 mm，散布直徑基本不變。

3.2 不同彈速時的破片散布分析

圖6反映了在150 m水深條件下，不同導彈出筒速度時導彈出筒破片的運動狀態。可以看到隨著彈速增加，水密隔膜在與發射筒接觸的部分有較明顯的單元失效，破片明顯增多。

圖7為不同彈速下4個破片單元的徑向速度曲線。可見，彈速增加時，破片的飛散范圍并沒有顯著增加。綜合各破片單元徑向位移得出散布直徑為600 mm。

3.3 不同艇速時的破片散布分析

圖8為在不同艇速，150 m水深，彈速10 m/s條件下，導彈出筒時的破片運動狀態。可以看出，在有艇速的情況下，破片數量更多，破片單元更小；艇速越大，在貼近發射筒的水密隔膜單元失效更多，破片也更多。

由圖8可看出，大部分破片單元徑向散布可以用散布直徑表示。圖9為不同艇速下破片單元徑向速度曲線。可見，在有艇速情況下，徑向速度曲線振蕩加劇，但速度趨勢依舊減小為0，綜合各破片單元徑向位移后得到散布直徑為600 mm。

圖4 不同水深的破片散布程度

圖5 不同水深的破片徑向速度曲線

圖6 不同彈速時的破片散布程度

圖7 不同彈速時的破片徑向速度曲線

圖8 不同艇速時的破片狀態

圖9 不同艇速時的破片徑向速度曲線

4 結論

本文基于ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法模擬導彈在水壓平衡式發射裝置的弦外發射出筒過程，得到了不同條件下水密隔膜破片的狀態。通過對破片運動狀態的觀察分析，可以看出，在不同給定條件下，破片的徑向散布直徑為600 mm，不會影響臨近發射單元。本文工作在一定程度上檢驗了發射裝置的正確性，為下一步的發射系統優化及技術設計提供了理論基礎。

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[11]ZHANG Z,SANG J,ZHANG Y.Inflation analyses of a circular elastomeric membrane with hydrostatic pressure[J].Theoretical and Applied Mechanics Letters,2012,2(6):15-18.

[12]王飛,朱立新,顧文彬,等.基于ALE算法的空氣沖擊波繞流數值模擬研究[J].工程爆破,2002,8(2):13-16.

(責任編輯 周江川)

Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching

LI Sichao1, SU Hang2, ZHAO Zheng2

(1.Navy Military Representative Office in Zhengzhou, Zhengzhou 450015, China; 2.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Based on ANSYS/LS-DYNA fluid-structure coupling calculation method, the finite element model of outboard underwater launcher fragment is established to simulate the rupture process of watertight diaphragm and to analyze the influence of water pressure, bullet velocity and submarine velocity on fragment range. The results show that the fragment of watertight diaphragm will not cause interference on adjacent units.

underwater launcher; watertight diaphragm; dispersion; numerical simulation

10.11809/scbgxb2017.07.016

2017-03-15；

2017-04-25

李四超(1977—)，男，工程師，主要從事導彈發射技術研究。

format:LI Sichao, SU Hang, ZHAO Zheng.Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):74-77.

TJ63+5

A

2096-2304(2017)07-0074-04

本文引用格式：李四超，蘇杭，趙錚.舷外發射水密隔膜破片散布范圍分析[J].兵器裝備工程學報，2017(7):74-77.