垂直發射彈頭沖擊力仿真研究

陸 宇， 楊 洋， 趙 錚

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南省水下智能裝備重點實驗室， 鄭州 450015; 2.南京理工大學能源與動力工程學院， 南京 210094)

采用水下垂直發射方式，具有貯存量大、火力強、能實施飽和攻擊、可實現全方位攻擊、發射裝置靈活、使用方便等顯著優點[1-3]。出筒階段是潛射導彈從發射到打擊目標過程中需要重點關注的。因為它是導彈水中彈道的起點，直接影響水彈道的優劣，并進而決定著導彈能否最后安全成功發射，隨后導彈能否繼續其出水、空中彈道的飛行和完成最后的對敵打擊，這使它成為水下發射研究的一個熱點[4]。尚書聰等[2假設潛射導彈發射速度為垂直方向，利用FLUENT軟件研究了潛射導彈出筒過程，分析其流場特性]。張紅軍等[5]在考慮艇速影響的條件下，采用Mixture多相流模型并利用動網格技術，對潛射導彈過程進行了三維數值模擬，研究了彈出筒過程中的流體流動特性。孫船斌等[6]研究了在導彈水下垂直發射過程中，減震墊特性對出筒過程中導彈橫向振動的影響。并根據動量和動量矩定理建立了導彈在出筒過程的動力學模型，分析了導彈在筒內橫向運動的自由振動特性，得到了導彈在發射平臺坐標系下的橫向振動方程。鞏明等[7]采用有限段法構建了導彈模型，對導彈水下垂直發射過程進行動力學分析，結果與試驗基本一致。Dyment A等[8]在導彈冷發射情況下，采用 VOF模型數值模擬了出筒過程中尾空泡的形成，并驗證數值模擬的準確性。Kunz等[9]在模擬潛射導彈垂直出筒過程中，給出了一種隱式求解算法，并利用了網格變形技術，取得了較好的結果。J.J.Yagla等[10]對垂直發射出筒過程的動力環境進行深入研究，通過研究發現在筒內直接采用發動機點火能夠為潛射導彈的航行提供一個充足燃氣，保證潛射導彈由出筒到開始一直到完成出水。

本文利用LS-DYNA對彈頭沖擊過程進行仿真計算，LS-DYNA具有非常成熟的接觸算法，在沖擊動力學領域得到了廣泛應用[11，12]。本文對水下垂直發射裝置進行建模，分別對有內壓和無內壓工況下進行仿真計算，分析彈頭與緩沖層之間以及彈頭與頭罩外層之間沖擊力的最大值，分析內壓對彈頭受到沖擊力的影響。

1 計算模型

垂直發射裝置平面結構示意圖如圖1。裝置由彈體、法蘭、緩沖層、頭罩內層、頭罩外層、外層薄弱區、撕裂帶共7部分組成，其中頭罩內層由大小相等的四瓣組成。有內壓和無內壓工況下，計算模型均帶有緩沖層。

圖1 垂直發射裝置平面結構示意圖

仿真模型由彈體、法蘭、緩沖層、內層頭罩、外層頭罩和撕裂帶六部分組成。其中，彈體為鋼、法蘭為剛體、緩沖層為橡膠、頭罩內層為鋁合金、頭罩外層為錦綸，撕裂帶為芳綸，有限元模型如圖2所示。

該模型為平面對稱結構，可建立1/2模型，在對稱面施加對稱約束。法蘭固定在發射筒上，可設置為全約束。頭罩外層的底部固定在法蘭上，也設置為全約束。緩沖層與頭罩內層定義為粘接。計算中采用的發射裝置材料參數見表1。撕裂帶根部設置為全約束，頂部與頭罩外層設置為固連接觸。有限元模型各部分均定義罰函數接觸。頭罩外層內側承受均布壓力為0.05 MPa，對于無內壓的情況，頭罩外層內側承受均布壓力為0 MPa。對于仿真計算的初始條件，彈體在0時刻的速度為0.82 m/s，加速度32.98 m/s2。

圖2 有限元模型

表1 發射裝置各部件材料參數

2 彈出筒過程分析

數值仿真分析計算0.1 s時程，LS-DYNA求解計算得到仿真結果后，采用LS-PREPOST軟件進行后處理。圖3為有內壓和無內壓兩種工況下，彈在出筒過程中不同時刻的狀態。由圖可以看出，彈頭出筒過程中，先與緩沖層發生碰撞，再與頭罩外層發生碰撞。

圖3 兩種工況下不同時刻狀態

圖4反映了無內壓和有內壓情況下，彈頭和緩沖層之間沿發射方向的沖擊力。通過后處理得出其到達峰值的時間分別為5.7 ms和5.1 ms，峰值的大小分別為1 205 N和1 186 N。

圖4 彈頭-緩沖層Y向沖擊力

由圖4可以看出：內壓對彈頭-緩沖層之間的沖擊力影響不大。圖5反映了無內壓和有內壓情況下，彈頭與頭罩外層之間沿發射方向的沖擊力。同樣通過后處理可得到其到達峰值的時間分別為36.0 ms和52.0 ms，峰值的大小分別為110 N和108 N，內壓對彈頭與外層之間的沖擊力影響也較小。圖6為兩種工況下撕裂帶沿發射方向的位移曲線，可以看出在彈出筒過程中撕裂帶位移曲線基本一致。

圖5 彈頭-外層Y向沖擊力

圖6 撕裂帶Y向位移(無內壓)

3 結論

仿真結果表明，在彈頭出筒過程中，有內壓和無內壓工況下彈頭與緩沖層之間沖擊力的最大值分別為1 186 N和1 205 N，彈頭與頭罩外層之間沖擊力的最大值分別為108 N和110 N，頭罩外層內側的均布內壓對沖擊力的影響很小。