水下舷外发射装置结构设计与仿真

苏 杭，李四超，赵 铮

(1.南京理工大学,能源与动力工程学院， 南京 210094; 2.海军驻郑州地区军代表室， 郑州 450015)



水下舷外发射装置结构设计与仿真

苏 杭1，李四超2，赵 铮1

(1.南京理工大学,能源与动力工程学院， 南京 210094; 2.海军驻郑州地区军代表室， 郑州 450015)

采用基于ANSYS/LS-DYNA流固耦合仿真计算方法，对鱼雷水下舷外发射装置结构的有限元建模与仿真计算，得到了有艇速和无艇速下的水密隔膜转角曲线以及发射筒底面积大小的变化和水密隔膜张开角度对鱼雷运动的影响规律。本文所采用的水密隔膜结构在鱼雷发射过程中不会造成干涉，可为以后相关结构设计研究提供技术支持。

水下发射装置；结构设计；LS-DYNA；数值模拟

水下发射装置的设计及其研究过程，对于提高鱼雷、潜射导弹等武器的出水品质具有很重要的意义。对于水下发射过程相关研究，周源[1]对潜射导弹的水中弹道进行了仿真；田兵[2]对液压蓄能式发射装置内弹道进行了仿真；龚红良[3]对导弹水中运动状态进行了研究。

本文设计了一种鱼雷水下弦外发射装置，该装置是在水压平衡式发射装置的基础上改进而来。采用冷发射技术，鱼雷在滑块推动下沿发射筒内滑轨加速，冲破水密隔膜出筒。水密隔膜随着鱼雷的出筒过程，分成四瓣张开。由于鱼雷与发射筒之间的间隙很小，筒外海水很难及时补充到弹底，造成较大的压差阻力[4]，所以有必要在发射筒底开孔，使发射筒底部与舷外海水相通，因此，需要分析发射筒底开孔面积大小对鱼雷速度的影响；另外，发射筒为多单元联装结构，单元间距离较小，水密隔膜张开时空间范围增大，因此，需要计算水密隔膜的最大张开角度，判断发射过程中其是否会与临近发射单元产生干涉。本文主要研究水密隔膜在发射过程中的运动特点，不考虑发射装置的动力问题及其影响。

1 计算模型的建立

本文的计算模型主要由水域、鱼雷发射筒、水密隔膜和鱼雷构成。计算域后部为鱼雷，鱼雷前部为球冠，后部为空心的圆柱体，材料为钢，模型质量与实际鱼雷质量相同；鱼雷前部为4瓣水密隔膜，扁球壳状。由于工程需要，水密隔膜分为四瓣。水域为150 m水深的海水，鱼雷发射筒和水密隔膜将鱼雷与水域分隔开，结构简图如图1。其中水域尺寸为R0.6 m×R0.6 m×8 m，鱼雷发射筒尺寸为R0.4 m×R0.4 m×3.3 m。

图1 计算模型示意图

2 有限元分析模型的建立

流固耦合计算需要同时考虑流场冲击和鱼雷运动之间的相互作用，包括流场计算，固体力学计算，耦合计算等，计算量较大，计算周期长，因此需要对计算模型按工程要求进行简化，以提高计算速度。本系统的有限元模型由水、鱼雷发射筒、水密隔膜和鱼雷组成，有限元网格如图2。

图2 计算域网格

水域采用欧拉网格建模，鱼雷、水密隔膜、发射筒采用Solid单元建模[5]，采用接触罚函数耦合算法[6]。边界条件设置为：在水-结构边界，通过Euler/Lagrange罚函数耦合算法建立约束方程，将结构与流体耦合，实现力学参量的传递[7]；采用转轴实现水密隔膜与发射筒的连接。为节约求解时间和计算量，取流场为一定范围，并且将装置放在流场的中心对称位置[8]。对于外流场设置，模拟150 m水深时发射装置所受的环境压力[9]设置为1.5 MPa，在水域边界面施加透射边界约束，模拟无限水域；对于初始条件设置，鱼雷以给定速度曲线运动，对整个发射装置设定分为两种情况：第一种情况设定发射装置不动；第二种情况设定发射装置以恒定速度运动，即以一定的艇速运动。

3 水密隔膜破裂过程分析

基于 LS-DYNA 软件的多物质 ALE 算法[10]，对鱼雷发射过程进行了三维有限元模拟，采用 LS-PREPOST 软件对 LS-DYNA 求解出的数据进行后处理[11]。仿真过程中为了减少计算量，外流场只选取了离鱼雷较近的部分。图3为在鱼雷发射过程中，水密隔膜在不同时刻下(t=0 s，0.03 s，0.08 s，0.13 s)的状态变化图。可以看出水密隔膜由封闭逐渐张开，使鱼雷有空间出筒。

图3 水密隔膜在不同时刻下的状态

图4是在结果文件中提取到的鱼雷和水密隔膜的相对位置图。正在出筒鱼雷对应时刻为t=0.25 s。随着时间的进行，水密隔膜绕转轴转动，使鱼雷出筒，水密隔膜与鱼雷没有直接接触，没有影响到鱼雷出筒，此设计可行。

图4 鱼雷和水密隔膜在0.25 s的状态

计算了4种出筒速度情况10.7 m/s，13.1 m/s，14.1 m/s和15.1 m/s时的水密隔膜的张开角度，作出水密隔膜转角-时间曲线如图5所示。

图5 弹速不同时的水密隔膜转角-时间曲线

由图5可以看出，水密隔膜转角先快速增大，后保持一定角度不变，当鱼雷出筒后，由于鱼雷底部的低压导致发射装置产生振动[12]，水密隔膜转角达到最大值，并且在状态稳定以后转角保持不变。在不同的鱼雷出筒速度情况下，水密隔膜最大转角基本不变，大致为48.2°。

为了分析艇速对水密隔膜张开过程的影响，计算了四种艇速0 m/s，2 m/s，4 m/s和6 m/s下，水密隔膜转角-时间曲线如图6所示。

图6 艇速不同时的水密隔膜转角-时间曲线

由图6可以看出，随着艇速的增加，水密隔膜的最大转角逐渐增加。由于鱼雷的速度曲线相同，从而鱼雷的受力相同，即鱼雷给水密隔膜的作用力不变，而在有艇速情况下，水密隔膜受到外部海水的阻力作用，水密隔膜受到的动力增大，因此最大转角相比无艇速状态大，同时转动角速度也相比无艇速时大；鱼雷出筒后由于此时水密隔膜还受到前进方向水的阻力作用，出筒后的转角波动也更剧烈。

4 鱼雷发射装置发射筒筒底面积的影响

图7 筒底面积所占比例不同时的速度-时间曲线

由图7可以看出鱼雷速度曲线的减小趋势，由最初的剧烈和中期的振荡后，转为相对平稳。当发射筒底面积所占比值为100%时，鱼雷速度明显减小，这是由于在这种情况下鱼雷发射筒全封闭，在鱼雷出筒时鱼雷前后方有较大的压力差；当发射筒底面积所占比例为0%，25%，50%时，相比较所占比例为75%的情况下，速度减小趋势较小，只是由于在这三种情况下，发射筒开孔面积较大，鱼雷前后压力差较小，鱼雷减速不明显。

由经济性和设计性角度，可以选择发射筒底面积占发射筒底的最大截面积的比值为50%的方案为鱼雷发射装置的方案。

5 结论

1) 无艇速情况下，水密隔膜最大转角为48.2°，不会与临近发射单元产生干涉；不同艇速，相对鱼雷出筒速度相同的情况下水密隔膜的最大转角和转动角速度均随着艇速的增大而增大，鱼雷出筒后的转角波动也更剧烈。

2) 发射筒底面积对鱼雷速度降低过程有所影响，并在筒底面积与发射筒最大面积之比为0，25%，50%时，鱼雷出筒后的减速趋势较小。从经济性和设计性角度出发，可选择发射筒底面积占比为50%。

3) 由于在建模的过程中考虑到了实际情况，尤其是海水水压和水密隔膜的作用，可以为水密隔膜结构模型设计提供指导，也可以为鱼雷发射装置设计提供参考。下一步设计应考虑水密隔膜实际结构对于鱼雷和发射装置的影响。

[1] 周源,齐强,陈志刚.潜射导弹水中弹道建模与仿真[J].四川兵工学报,2012,33(9):16-18.

[2] 田兵,王树宗,练永庆.液压蓄能式鱼雷发射装置内弹道建模与仿真[J].鱼雷技术,2011,19(1):68-71.

[3] 龚红良,王瑞臣,张笑.导弹水中弹道的有限元数值计算[J].四川兵工学报,2009,30(11):42-43.

[4] 刘传龙,张宇文,王亚东,等.提拉活塞式导弹水下发射过程数值模拟[J].上海交通大学学报,2015(5):651-656.

[5] 黄岳,崔奇伟,马暄,等.横浪对潜射导弹出水姿态的影响[J].四川兵工学报,2010,31(8):39-40.

[6] 陈福.结构入水问题的流固耦合仿真分析[D].北京：清华大学,2008.

[7] 李科,刘勇志,王春健.基于ANSYS/LS-DYNA潜射导弹水中运动特性研究[J].软件,2011,32(9):20-21.

[8] 董鹏,毕继红.深水基础钢护筒动力打入过程中的动应力与屈曲分析[J].公路交通科技:应用技术版,2012(12)：221-224.

[9] 康德,严平.基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟[J].爆炸与冲击,2014,34(5):534-538.

[10]FASANELLA E,JACKSON K,LYLE K,et al.Dynamic Impact Tolerance of Shuttle RCC Leading Edge Panels Using LS-DYNA[C]// 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.2013:1-3.

[11]于英华,郎国军.基于LS-DYNA的汽车保险杠碰撞仿真研究[J].计算机仿真,2007,24(12):235-238.

[12]ZHANG X F,KUN H U,YOU W L.Numerical Simulation on Piston Buffering Characteristics of Pressure-balanced Underwater Torpedo Launch System [J].Acta Armamentarii,2011,32(9):1089-1093.

(责任编辑 周江川)

Structural Design and Numerical Simulation of Outboard Underwater Launcher

SU Hang1, LI Sichao2, ZHAO Zheng1

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

Targeted on outboard launcher device, based on ANSYS/LS-DYNA fluid-structure coupling simulation calculation method, through the finite element modeling and simulation of torpedo launcher underwater structure, the angle curve of watertight diaphragm with and without submarine speed and the influence of torpedo launcher change are obtained; At the same time, through the analysis of the angle of watertight diaphragm in the launch process, it can be obtained that the watertight diaphragm structure does not cause interference effects, therefore it can provide technical support and theoretical basis for later related structure design research.

underwater launcher; structure design; LS-DYNA; numerical simulation

10.11809/scbgxb2017.07.015

2017-03-21；

2017-04-20

国家自然科学基金(11302106)

苏杭(1994—)，男，硕士研究生，主要从事岩土工程稳定性与防灾减灾研究；李四超(1977—)，男，工程师，主要从事导弹发射技术研究。

赵铮(1979—)，男，副教授，主要从事冲击动力学研究。

format:SU Hang, LI Sichao, ZHAO Zheng.Structural Design and Numerical Simulation of Outboard Underwater Launcher[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):71-73.

TJ63+5

A

2096-2304(2017)07-0071-03

本文引用格式：苏杭，李四超，赵铮.水下舷外发射装置结构设计与仿真[J].兵器装备工程学报，2017(7):71-73.