航行體出筒過程中彈翼橫向偏移研究

程 棟，盧丙舉，朱 珠

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州450015,河南省水下智能裝備重點實驗室,河南 鄭州 450015)

0 引言

彈筒匹配系統是指發射裝置中在航行體和發射筒之間設置的設備和裝置所組成的系統，具有適配、減震、導向的功能。目前航行體多采用適配器[1]彈筒匹配方式，而氣密環-減震墊[1]彈筒匹配方式具有可多次使用，兼顧發射導向與貯存減震等優點，在美、俄等在役航行體中廣泛應用。

對于航行體尤其是帶翼航行體，在發射出筒過程中，由于橫向偏移可能會劃傷發射氣密環，從而對發射壓力產生影響，可能導致發射失敗。因此需要研究不同航速、減震墊剛度等發射條件下，戰術航行體出筒過程的橫向偏移，對氣密環-減震墊彈筒匹配方案進行指導。

對于垂直發射橫向動力的研究，趙世平[2]采用簡化模型，研究了橫向流對潛艇垂直發射航行體的影響，分析了發射條件如潛艇艇速、適配器剛度和航行體運動速度等影響因素，對潛載垂直發射航行體的受力和出筒運動參數的影響，提出了減小航行體受到橫向對影響的途徑。尚書聰[3]通過對2 種橫向支撐方式對航行體出筒過程力學特性的仿真分析，說明彈筒匹配采用適配器方式時出筒姿態較好，但是航行體受到的載荷更大。

本文針對氣密環-減震墊彈筒匹配方案，通過建立減震墊變形模型并進行數值分析，研究潛艇航速、減震墊剛度等發射條件對帶翼航行體垂直發射的受力和出筒姿態的影響，對水下垂直航行體的發射彈筒匹配方案論證與發射載荷預示具有指導意義。

1 模 型

計算模型為某帶翼戰術航行體，外形示意見圖1。氣密環減震墊彈筒匹配如圖2 所示。

圖1 航行體外形示意圖Fig.1 Shape of the vehicle

從圖2 可以看出，彈翼在從右至左的第3 圈氣密環以上，因此，判斷彈翼在氣密環處的橫向偏移，只需要計算彈翼在出筒過程中在第4 圈、第5 圈和第6 圈氣密環處的橫向偏移量。

2 減震墊變形模型

減震墊的變形是由于航行體出筒過程中對減震墊的擠壓造成的。為了確定減震墊在航行體出筒過程中的變形，以一個減震墊的右側為例建立減震墊的變形模型，如圖3 所示。

圖3 減震墊變形示意圖Fig.3 Pad deform

若減震墊的高度為hs，減震墊厚度為d，發射筒上端右側點為點A，減震墊上、下端面內側點為B 和C。在航行體發射前，B 和C 在發射筒坐標系中的坐標分別為(b,R)(b+hs,R)，A 在發射筒坐標系和航行體坐標系中的坐標相同，為(a,R)。

在發射筒坐標系中，有以下相對位置關系：

1) 如果x0A≤x0B，減震墊完整作用于航行體；

2) 如果x0B

3) 如果x0A>x0C，減震墊完全脫離了航行體。

此處只考慮變形與變形量成線性關系的情況。減震墊作用力為：

式中，k1為線性剛度。

3 數值計算方法

航行體坐標系原點建立在航行體的質心位置，在航行體坐標系中建立航行體平面運動方程組[4–5]：

式中：m為航行體質量；Jz為繞oz軸的轉動慣量；Y為流體法向力；Mz為俯仰力矩；λ22為流體法向附加質量；λ66和λ26分別為繞oz軸的附加轉動慣量和附加靜矩；YS為減震墊變形產生的在航行體坐標系中對發射筒的法向作用力。

計算過程如下：

1）初值

發射起始時刻，航行體位于發射筒內，無橫向流作用，航行體傾斜角為0，減震墊橫向力作用力為0。

2）運動方程組求解

航行體與減震墊/氣密環的相互作用是通過減震墊/氣密環對航行體的作用力形式體現在運動方程組中，在航行體的出筒運動過程中，航行體與減震墊/氣密環之間有相互作用與匹配過程。因此在數值計算中，需要進行迭代耦合計算。具體計算方法如下:

a)t=t1+?t

①求解運動方程組，計算航行體運動；

②根據航行體橫向位移與傾角，計算各減震墊及氣密環形變；

③根據變形計算各減震墊及氣密環作用力；

④以新的減震墊及氣密環作用力計算航行體運動，進行代計算，直至航行體的橫向運動參數與減震墊及氣密環的變形量趨于一致，停止迭代，轉入下一時間步長計算。

b)t=t1+?t+?t

……

c) 直至完全出筒

通過以上過程，可以求解航行體出筒過程中每一時刻的運動參數、減震墊作用力、氣密環作用力，得到每一圈減震墊每一時刻的變形，以及彈翼處每一時刻的橫向偏移量，通過分離體方法，計算任意截面載荷，從而可以得到航行體發射過程中危險截面的力與力矩。

4 仿真結果及分析

4.1 發射深度影響

針對氣密環-減震墊彈筒匹配方式的計算對象，進行基準深度、0.5 倍基準深度和1.2 倍基準深度計算。圖4 為不同發射深度下航行體的出筒角度和角速度。可以看出，不同發射深度下，出筒角度與出筒角速度趨勢一致，發射深度對出筒姿態影響不大。

圖4 不同深度下的出筒姿態Fig.4 Eject attitude with different deep

圖5 為不同發射深度下的航行體的危險截面受到的載荷。可以看出，不同發射深度下，危險截面受到的力和力矩曲線趨勢一致，發射深度對危險截面載荷影響不大。

圖5 不同深度下的危險截面載荷Fig.5 Load of dangerous face with different deep

圖6 和圖7 為不同深度下出筒彈道和翼橫向偏移與氣密環相對位置關系。圖中，從左到右的3 組進豎線分別為第4 圈、第5 圈和第6 圈氣密環。

圖6 不同深度下的出筒彈道Fig.6 Trajectory with different deep

從圖7 可以看出，不同發射深度條件下，彈翼橫向偏移趨勢一致，振蕩上升。彈翼在氣密環處橫向偏移量與振蕩頻率有關，與航速沒有明顯的關系，各圈氣密環的橫向偏移量見表1。

表1 不同發射深度下的結果Tab.1 result with different deep

圖7 不同深度下的彈翼橫移與氣密環相對位置Fig.7 Wing displacement and seal with different deep

4.2 航速影響

針對氣密環-減震墊彈筒匹配方式的計算對象，進行基準航速、0.5 倍基準航速和1.2 倍基準航速計算。圖8 為不同平臺航速下的航行體的出筒姿態。可以看出，不同發射深度下，出筒角度與出筒角速度趨勢一致，航速越高出筒角度與角速度越大，這是由于航速越大，與水流的相對速度越大，從而航行體出筒橫向力越大。圖9 為不同深度下的危險截面載荷。可以看出，不同航速下，危險截面力和力矩曲線趨勢一致，航速越大，危險截面受到的力與力矩越大，載荷波動越明顯。

圖8 不同航速下的出筒姿態Fig.8 Eject attitude with different velocity

圖9 不同航速下的危險截面載荷Fig.9 Load of dangerous face with different velocity

圖10 和圖11 為不同航速下出筒彈道和彈翼橫向偏移與第3 圈、第4 圈和第5 圈氣密環相對位置關系。

圖10 不同航速下的出筒彈道Fig.10 Trajectory with different velocity

從圖11 可以看出，不同發射航速條件下，彈翼橫向偏移趨勢一致，振蕩上升。航速越低，彈翼偏移的橫向偏移量振蕩頻率越高。彈翼在氣密環處橫向偏移量不僅與航速有關，還與振蕩頻率有關。各圈氣密環的橫向偏移量見表2。

表2 不同發射航速下的結果Tab.2 result with different velocity

圖11 不同航速下的彈翼橫移與氣密環相對位置Fig.11 Wing displacement and seal with different velocity

4.3 減震墊剛度影響

針對氣密環-減震墊彈筒匹配方式的計算對象，進行基準剛度、1.5 倍基準剛度和2 倍基準剛度計算。圖12 為不同剛度下的航行體的出筒姿態。可以看出，不同減震墊剛度條件下，出筒角度與出筒角速度趨勢一致，減震墊剛度越高出筒角度與角速度越小。這是由于減震墊剛度越大，導向性能越好，對航行體在筒內的約束力越大，從而航行體出筒姿態越小。高剛度情況，出筒姿態振蕩頻率略高。

圖12 不同剛度下的出筒姿態Fig.12 Eject attitude with different stiffness

圖13 為不同深度下的危險截面載荷。可以看出，不同減震墊剛度條件下，危險截面力和力矩曲線趨勢一致，減震墊剛度越大，危險截面力與力矩的振蕩頻率越高。

圖13 不同剛度下的危險截面載荷Fig.13 Load of dangerous face with different stiffness

圖14 和圖15 為不同航速下出筒彈道和彈翼橫向偏移與第3 圈、第4 圈和第5 圈氣密環相對位置關系。

圖14 不同剛度下的出筒彈道Fig.14 Trajectory with different stiffness

從圖15 可以看出，不同減震墊剛度條件下，彈翼橫向偏移趨勢一致，振蕩上升。剛度越大，彈翼偏移的橫向偏移量振蕩頻率越高。彈翼在氣密環處橫向偏移量與振蕩頻率有關。各圈氣密環的橫向偏移量見表3。

圖15 不同剛度下的彈翼橫移與氣密環相對位置Fig.15 Wing displacement and seal with different stiffness

表3 不同減震墊剛度下的結果Tab.3 result with different stiffness

5 結語

本文根據減震墊變形模型和航行體出筒橫向力計算方法，對某帶翼戰術航行體垂直發射過程的橫向動力進行了仿真，獲得了不同平臺航速、發射深度、減震墊剛度條件下的出筒姿態、危險截面力與力矩，以及彈翼在過各圈氣密環時的橫向偏移量。仿真結果表明，發射深度對彈翼出筒過程中的橫向偏移影響不大，減震墊剛度越大、航速越大時，彈翼出筒過程中的橫向偏移越大。但在各圈氣密環處，彈翼的偏移不僅與發射條件相關，還與偏移的振蕩頻率有關，在彈筒匹配方案設計時，要充分考慮與論證，以保證航行體經過時翼不劃傷氣密環。