水下載荷對垂直發射潛航器結構影響仿真研究

李玉杰，劉文一

（中國人民解放軍91550部隊41分隊，遼寧 大連 116023）

采用垂直方式在水下發射潛航器時，由于潛航器的運動方向與橫向水流的運動方向存在夾角，使潛航器受到橫向來流的作用。一方面橫向流在潛航器的橫截面上產生了剪力和彎矩，直接影響到潛航器的結構強度；另一方面橫向流使潛航器的姿態發生變化。潛航器水下垂直發射過程中，其各個關鍵截面的載荷時刻發生變化，若某個截面的結構強度較弱，則潛航器結構有可能因結構被破壞而造成發射失敗，因此有必要研究水下載荷對垂直發射潛航器結構強度的影響。

1 壓力場計算

1.1 計算域

用截面法來計算，先在 Gambit軟件中建立計算模型，Gambit是面向CFD分析的高質量前處理器，其主要功能包括幾何建模和網格生成。計算域寬20 m，長100 m，如圖1所示。

圖1 計算域網格Fig.1 Computational domain grid

潛航器在水中垂直發射，可以看作是圓柱繞流問題。根據模型的特性，選擇Fluent軟件作為求解器。Fluent是基于非結構化網格的通用 CFD求解器，針對非結構性網格模型設計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件。

將計算模型導入流體計算軟件Fluent中計算，計算中應用了Karama漩渦模型，流動為定常流動。

1.2 邊界條件

計算中圓柱截面的邊界條件可根據潛航器在水中不同時刻受到水動力的大小來取值，計算中設定流動為定常流動，即：計算域中入口條件為VELOCITY_INLET，出口條件為OUTFLOW。計算中取水深3H，潛航器水平運動速度為6 km/h。

1.3 流體計算結果

計算得到了發射后3H深度時，潛航器周圍流體的速度和壓力分布，如圖2所示。

圖2 速度和壓力分布Fig.2 Velocity and pressure distribution: a) velocity distribution in computational domain; b) velocity distribution of fluid around the underwater vehicle; c) pressure distribution in calculation domain; d) distribution of fluid pressure around the underwater vehicle

從圖2a、b可以看出，由于潛航器存在橫向運動，從而造成航行器兩側流體速度最快，受Karama漩渦影響，潛航器背水面速度最低。同樣，從圖2c、d可以看出，航行器迎水面比背水面壓力高，兩側壓力較小。相同于3H深度的計算，分別計算在2H和H深度潛航器周圍的流體分布情況，并將計算結果作為橫向載荷邊界條件導入MSC. Nastran有限元分析軟件，進行載荷計算。

MSC. Nastran是世界CAE工業標準及最流行的大型通用結構有限元分析軟件，MSC. Nastran的分析功能覆蓋了絕大多數工程應用領域，并為用戶提供了方便的模塊化功能項。其主要功能模塊有：基本分析模塊、動力學分析模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設計靈敏度分析及優化模塊、超單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP用戶開發工具模塊及高級對稱分析模塊。

2 載荷計算

2.1 計算模型

在前處理軟件里建立了航行器的實體模型，采用IsoMesh網格劃分器劃分了網格，采用Quad型網格，這樣劃分的目的是為了設置網格大小，并控制疏密度。共劃分 772個單元，1429個節點。潛航器的實體模型和有限元網格模型如圖3所示。

圖3 潛航器幾何模型及有限元模型Fig.3 Geometric model and finite element model of the underwater vehicle

2.2 計算方法

潛航器在水中運動時，不受任何約束，可視為6自由度自由。此時對它施加邊界條件不能用Displacement約束，而應該用到Nastran的高級功能：Inertia Relief，即慣性釋放。

有兩種方法可以實現慣性釋放：第一種是在數據段中寫入“PARAM，INREL，-1”語句，并對SUPORT卡片進行修改；第二種方法是使用自動慣性釋放，在數據段中寫入“PARAM，INREL，-2”，不寫SUPORT卡片，MSC.NASTRAN自動選擇SUPORT約束的自由度。文中采用第二種方法。

在選取 Load/BCs后，分析 Deck文件，生成Nastran的輸入文件：*.bdf，手動提取*.bdf文件后，在文件中填入控制語句。

2.3 邊界條件

潛航器頂部邊界條件：海水壓力，隨水深變化而變化；潛航器底部邊界條件：底部燃氣壓力，距離海平面越近，燃氣壓力越小；橫向邊界條件：給定深度，流體分析軟件計算得到的潛航器周圍的壓力場分布。

3 結果及分析

計算潛航器發射后距離海平面3H、2H、H三個深度潛航器在外壓載荷下的變形、應變和應力以及H時刻的彎矩。

3.1 變形量

仿真計算得到了潛航器在水深3H、2H、H深度的變形云圖，如圖4所示。由圖4對比可以看出，隨著潛航器距離海平面越來越近，潛航器的最大變形量逐漸減小。3H、2H、H深度潛航器的最大變形量分別為 5.12×10-5、4.88×10-5、1.6×10-5m。出現最大變形量的位置也發生了較大變化，3H深度時潛航器頭部部位被壓至潛航器內部，最大變形位置亦出現在該處；2H深度時頭部也被擠壓，但沒有3H深度時嚴重，最大變形位置亦出現在該處；H時刻頭部也被擠壓，但遠遠沒有3H深度和2H深度時嚴重。

圖4 不同深度潛航器的變形量Fig.4 Deformation of underwater vehicle at different depths

出現以上現象的原因為：隨著潛航器在水中的深度變小，加速度和速度變小，水對潛航器的壓力載荷也變小，這是造成潛航器變形變小的原因之一；潛航器發射后，潛航器尾部雖然已經不受潛航器彈射燃氣和水蒸氣的壓力載荷，但是隨著這個載荷的消失，潛航器要釋放潛航器射燃氣和水蒸氣擠壓的壓縮能，能量的釋放不是瞬態的，因此隨著時間的推移，頭部的變形逐漸減小。

3.2 應力與應變

仿真計算得到了潛航器在水深3H，2H和H深度的應力和應變，如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出，潛航器的最大應變均出現在頭部。隨著時間推移，潛航器的應變逐漸減小。其原因是水對潛航器的壓力載荷減小，導致潛航器彈射壓力消失。H深度時，在潛航器的中間位置出現了較大應變，如圖5c所示。結合圖4來看，潛航器的彎曲變形程度隨著潛航器的上升而變大，潛航器受到的彎矩亦變大。出現這樣的現象是由于潛航器在水中并非垂直于水平面飛行，而是與水平面有一定夾角。這樣，潛航器在垂直和平行與水平面的方向上有加速度分量，亦為有力的分量。隨著時間的推移，這個力逐漸積累，從而造成在H深度時，潛航器受到彎矩最大，在潛航器的中間位置出現了較大應變。

圖5 不同深度潛航器應力分布Fig.5 Stress distribution of underwater vehicle at different depths

圖6 不同深度潛航器應變云圖Fig.6 Strain nephogram of underwater vehicle at different depths

由圖6可以看出，隨著潛航器上升，其受到的應力逐漸減小，并且與其對應深度的應變具有一致性。這也是水對潛航器的壓力載荷減小，潛航器彈射壓力消失的的結果。潛航器在H深度時，潛航器的中間位置出現了應力集中現象。從理論力學的角度分析，彎矩最大的地方也是應力集中的地方，從而驗證了計算結果與經典理論具有良好的一致性。

由于H深度時潛航器的中間位置出現了應力集中現象，因此有必要對這個時刻受到的剪切力進行計算。圖 7為計算得到的H深度時潛航器剪切力的計算結果，潛航器所受的最大剪切力為6.78×105N，位置出現在頭部，中間部位的剪切力為1.43×105N。

圖7 H深度潛航器剪切力分布Fig.7 Shear force distribution of underwater vehicle at H depth

4 結論

通過對潛航器發射后距水面3H、2H和H時周圍流場壓力和所受載荷的計算，得出這些時刻下潛航器的變形、應變、應力以及深度H時的彎矩，得到以下結論。

1）深度為3H、2H和H時，潛航器的最大變形量分別為 5.12×10-5、4.88×10-5、1.6×10-5m。出現最大變形量的位置發生了較大變化，深度3H時，頭部被壓至潛航器內部，最大變形位置亦出現在被壓縮的最深處；深度2H時頭部也被擠壓，但沒有3H深度時嚴重，最大變形位置亦出現在被壓縮的最深處；深度H時頭部也被擠壓，但遠遠沒有上兩個計算時刻嚴重。

2）隨著潛航器向上運動，其加速度和速度變小，水對潛航器的壓力載荷也變小，這是造成潛航器變形逐漸變小的原因之一。

3）潛航器發射后，尾部雖然已經不受潛航器射燃氣和水蒸氣的壓力載荷，但是隨著這個載荷的消失，潛航器要釋放潛航器射燃氣和水蒸氣擠壓的壓縮能，能量的釋放不是瞬態的，因此隨著時間的推移，頭部的變形逐漸減小。

4）在H深度時，潛航器的中間部位出現了較大應變，對比深度3H、2H和H的變形云圖，潛航器的彎曲程度隨著潛航器的上升而變大。在彎矩、剪切力和沿潛航器軸壓力載荷的作用下，潛航器的中間部位出現了應力集中現象，并且受到了較大的剪切力。在這些外力的共同作用下，潛航器的中間受到的載荷最大，假如這個部位的材料強度較弱，并且結構設計有缺陷的話，潛航器有可能在這個部位被破壞。