針對未來海上平臺發(fā)射的大口徑平頭回轉(zhuǎn)體高速入水過載問題,為了探究柱體頭部圓倒角大小對柱體垂直入水的動力學(xué)響應(yīng),使圓倒角平頭柱體外形設(shè)計(jì)滿足高速入水強(qiáng)度要求,文中通過入水載荷及空泡驗(yàn)證了任意拉格朗日-歐拉（ALE）算法計(jì)算此類問題的正確性。并應(yīng)用該算法對速度為300m/s的不同倒角柱體垂直入水進(jìn)行數(shù)值仿真,得到其入水沖擊作用下的動力學(xué)響應(yīng)。通過對入水過程中柱體速度和加速度的分析,得出如下結(jié)論:入水初期,隨著柱體頭部倒角的增大,速度的衰減越來越小;柱體入水時受到的沖擊加速度會出現(xiàn)振蕩;一定尺寸的圓倒角能有效減小柱體入水時的沖擊加速度,球頭柱體入水的沖擊加速度峰值最小,在數(shù)值上不到平頭柱體的1/10;平頭柱體垂直入水的載荷峰值與其頭部圓頂面積呈線性正相關(guān)。以上方法及結(jié)論可為柱狀結(jié)構(gòu)體入水沖擊過程研究以及高速入水回轉(zhuǎn)體外形設(shè)計(jì)提供一定參考。 

【文章來源】：水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào). 2020,28(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

柱體模型Fig.1Cylindermodel

2020年2月水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào)第28卷84JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn結(jié)果精度較高,并且計(jì)算時間上較為經(jīng)濟(jì),對柱體按照該尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分后其有限元模型分別如圖1中(a)~(f)所示。在LS-DYNA中建立1/2水域和空氣的三維圖1柱體模型Fig.1Cylindermodel計(jì)算域模型。為了避免截?cái)嗫諝庥蚺c水域?qū)Y(jié)果的影響,設(shè)空氣域長100cm、寬50cm、高50cm;水域長100cm、寬50cm、高100cm。由于計(jì)算域較大,對計(jì)算域的網(wǎng)格劃分尺寸為柱體網(wǎng)格尺寸的2倍,即網(wǎng)格為邊長1cm的六面體單元。劃分網(wǎng)格后水域有5×105個單元,空氣域有2.5×105個單元,計(jì)算域模型以及對稱面的網(wǎng)格如圖2所示。圖2計(jì)算模型Fig.2Computationalmodel由于計(jì)算模型為1/2模型,需對對稱面上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動約束。為了避免入水沖擊波在空氣域和水域模型邊界的反射對求解的影響,將空氣域和水域的邊界設(shè)置為無反射邊界條件,使空氣域和水域?yàn)闊o限區(qū)域。1.4修改關(guān)鍵字文件將*SECTION_SOLID關(guān)鍵字改為*SECTION_SOLID_ALE,其單元算法選項(xiàng)ELFORM取11,即ALE多介質(zhì)單元。添加ALE算法控制關(guān)鍵字*CONTROL_ALE。添加定義多介質(zhì)單元的關(guān)鍵字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP,允許流體網(wǎng)格中同時存在空氣和水2種介質(zhì)。添加定義流固耦合關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID,此關(guān)鍵字是定義流固耦合中較為重要的關(guān)鍵字,通過此關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)Lagrange實(shí)體即文中的柱體與Euler或ALE實(shí)體即文中的空氣與水域的耦合。該關(guān)鍵字下定義了以下參數(shù):SLAVE為從屬部ID,其編號在SSTYP中選擇對應(yīng)Lagrange柱體實(shí)體;MASTER為主部件ID,其編號在MSTYP中選擇對應(yīng)ALE實(shí)體;CTYPE為耦合類型,在流固耦合計(jì)算中一般采用罰函數(shù)耦合方式4;PFAC為接觸剛度又稱罰函數(shù)耦合系數(shù),該參數(shù)的?

2020年2月汪振,等:基于多介質(zhì)ALE算法的柱體高速垂直入水仿真第1期水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào)www.yljszz.cn85理論推算得到其阻力系數(shù)Cd=0.384,并且經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證[13]。所以,在穩(wěn)定航向階段,半球頭圓柱柱體垂直入水狀態(tài)與球體入水相似,在300m/s工況下,入水阻力系數(shù)取Cd=0.384。在不計(jì)重力的情況下,其入水阻力22211=π22cwdwdfACvRCv(9)沖擊加速度221π2wdaRCvm(10)式中:fc為入水阻力;a為結(jié)構(gòu)體入水阻力加速度;Cd為入水結(jié)構(gòu)體阻力系數(shù);A為入水結(jié)構(gòu)體最大橫截面積;v為入水結(jié)構(gòu)體實(shí)時速度;m為入水體質(zhì)量;ρw為流體密度。利用以上理論進(jìn)行計(jì)算:選取入水結(jié)構(gòu)體為45號鋼,密度為7850kg/m3,流體海水密度為1025kg/m3,半徑為10cm,總長為30cm,入水速度為300m/s。將上述數(shù)據(jù)代入理論公式算得體積32313ππ0.00211m24VRRh;質(zhì)量mV16.56kg;加速度2218396m/s2wDvACam。針對上述數(shù)值模型,載荷數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3球頭柱體入水載荷曲線Fig.3Water-entryloadcurveofsphericalcylinder從圖3可以看出,時間達(dá)到200s時,柱體已經(jīng)開始進(jìn)入穩(wěn)定航行的開空泡階段。對時間為200~1000s的載荷數(shù)據(jù)取均值得到加速度為8650m/s2,與理論計(jì)算值的誤差在3%以內(nèi),說明該方法數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確度較高。由于計(jì)算1000s時對仿真數(shù)據(jù)采樣記錄時間間隔為4s,所以圖3中峰值載荷較小于圖8中計(jì)算200s時數(shù)據(jù)采樣記錄時間為1s時的峰值載荷。后續(xù)提到的沖擊載荷單位為g,為方便計(jì)算取g=10m/s2。2.2空泡驗(yàn)證文獻(xiàn)[14]在研究魚雷垂直入水的空泡外形時認(rèn)為,除了彈體頭部附近以外,入水初期空泡幾乎為一精確的拋物面。理論上的預(yù)

【參考文獻(xiàn)】：
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