王漢平，楊 鳴，段 磊

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081)

潛射模擬彈筒蓋系統(tǒng)柔性支撐降載技術(shù)①

王漢平，楊 鳴，段 磊

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081)

提出了筒蓋系統(tǒng)帶空行程的柔性支撐降載方案，基于含相變VOF模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)并采用三維對(duì)稱模型對(duì)潛射模擬彈筒口壓力場(chǎng)及其對(duì)筒蓋系統(tǒng)的影響特性進(jìn)行了建模仿真，對(duì)比分析了9種不同空行程組合的仿真數(shù)據(jù)，獲取了筒口壓力場(chǎng)的氣泡脈動(dòng)特性、筒蓋及其支撐環(huán)節(jié)的受載特性和筒蓋的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驗(yàn)證了帶空行程柔性支撐方案的可行性，同時(shí)也得到了便于工程實(shí)施的行程組合參數(shù)。該結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)筒蓋系統(tǒng)降載方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施具有重要指導(dǎo)意義。

潛射發(fā)射裝置;潛射導(dǎo)彈;筒口壓力場(chǎng);VOF模型;多相流;動(dòng)網(wǎng)格技術(shù);柔性支撐

0 引言

為規(guī)避反潛裝備的偵察和打擊，提高系統(tǒng)快速機(jī)動(dòng)、隱蔽突防、有效威懾的戰(zhàn)略能力，潛射彈道導(dǎo)彈的潛射深度指標(biāo)越來(lái)越高，垂直冷發(fā)射作為成熟技術(shù)還將在新型潛射彈道導(dǎo)彈的發(fā)射中繼續(xù)發(fā)揮作用［1］。但該發(fā)射方式難以回避的問(wèn)題是，發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)彈高速出筒之后，彈射筒內(nèi)高溫高壓的燃?xì)?蒸汽將會(huì)尾隨導(dǎo)彈從發(fā)射筒內(nèi)膨脹溢出，并與外界的海水、筒蓋系統(tǒng)以及導(dǎo)彈彈體形成復(fù)雜的多場(chǎng)質(zhì)交互耦合，這種耦合的筒口壓力場(chǎng)將對(duì)筒蓋系統(tǒng)造成不利影響，某次試驗(yàn)就曾出現(xiàn)過(guò)筒蓋系統(tǒng)嚴(yán)重受損的事故［2-3］。針對(duì)大深度潛載彈射，為確保導(dǎo)彈出水速度和姿態(tài)，可能要求導(dǎo)彈有更高的出口速度，這時(shí)筒口壓力場(chǎng)對(duì)筒蓋系統(tǒng)的作用也將更加惡化，因此采取必要的技術(shù)手段來(lái)有效降低筒蓋系統(tǒng)受載就顯得尤為重要。

文獻(xiàn)［4-5］就針對(duì)筒蓋系統(tǒng)的柔性支撐進(jìn)行了仿真研究，并得到了很有價(jià)值的結(jié)果，但其工程實(shí)現(xiàn)卻存在一定難度，為進(jìn)一步向工程實(shí)用靠攏，本文提出了一種帶空行程的筒蓋系統(tǒng)柔性支撐降載方案，并采用三維模型對(duì)該方案的降載效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該方案具有顯著的降載效果，可為工程實(shí)施提供指導(dǎo)。

1 帶空行程的柔性支撐方案設(shè)想

根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］可知，潛射彈發(fā)射筒筒蓋受載過(guò)大，柔性支撐方案可以降低筒蓋的正載荷，但是負(fù)載荷反而會(huì)增加，自由鉸支方案對(duì)正向和負(fù)向的降載效果都比較好，但是筒蓋擺動(dòng)的幅度太大，為了達(dá)到既能降低筒蓋載荷，又能減小筒蓋擺動(dòng)的幅度，本文提出了帶有空行程的柔性支撐降載方案。

該方案的基本思想就是借助剪切銷鎖定筒蓋，當(dāng)筒蓋受載足夠大之后就剪斷剪切銷，然后筒蓋就在一定的角度范圍(如圖1中的α1～α2之間)自由擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)角度超出范圍時(shí)，由彈性支撐系統(tǒng)予以支撐，這就是帶空行程的柔性支撐方案。α1和α2取值不同對(duì)降載效果有明顯的影響，本文針對(duì)α1和α2的不同組合，構(gòu)建了9種仿真工況。假設(shè)α1為正，α2為負(fù)，不妨以α1_α2的值命名每種工況，則9種工況分別為+5_0、+5_-5、+5_-10、+10_0、+10_-5、+10_-10、+15_0、+15_-5和+15_-10。

圖1 帶空行程的柔性支撐方案示意圖Fig.1 Schematic of flexible-support technique with blank travel

2 仿真模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)化和網(wǎng)格處理

仿真擬定采用三維對(duì)稱模型予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化假設(shè)與文獻(xiàn)［5-9］一致，不同之處是考慮了水汽汽化和凝結(jié)的影響，同時(shí)計(jì)算的起始時(shí)刻導(dǎo)彈位于發(fā)射筒筒底，模型中計(jì)入了均壓氣體的影響，另外為保證收斂性，模型中引入了水的微可壓縮性。

在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用多區(qū)塊的網(wǎng)格劃分原則:發(fā)射筒內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在發(fā)射筒外筒蓋局部區(qū)域截取一個(gè)充分包容筒蓋以及筒蓋運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，對(duì)該區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，以方便采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬筒蓋的運(yùn)動(dòng)，且靠近筒蓋的區(qū)域網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離筒蓋的區(qū)域逐漸變稀;筒外的其他區(qū)域同樣使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且靠近筒口區(qū)域的網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離筒口的網(wǎng)格稍疏，并將相臨網(wǎng)格的尺度比設(shè)置為較接近1的值，這樣即保證計(jì)算的收斂性，同時(shí)也可減小計(jì)算規(guī)模［9］。另外，考慮到動(dòng)網(wǎng)格生長(zhǎng)域與兩相邊界交叉或重合時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響 VOF模型的收斂性，為確保計(jì)算的可靠收斂，模型中采用了域動(dòng)分層動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)將導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的動(dòng)網(wǎng)格生長(zhǎng)和潰滅位置選擇在了湍動(dòng)較小的筒底和水面［10］，而筒蓋區(qū)域的動(dòng)網(wǎng)格則按網(wǎng)格重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)格重構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置時(shí)啟用了尺度函數(shù)、改進(jìn)扭曲和面重構(gòu)選項(xiàng)，其中將最大單元扭曲設(shè)置為0.8，最大面扭曲設(shè)置為 0.5，尺度重構(gòu)間隔設(shè)置為1，尺度函數(shù)分辨設(shè)置為1，尺度函數(shù)變量設(shè)置為0.5，尺度函數(shù)比設(shè)置為0.7。實(shí)踐證明，在采用相關(guān)方法和參數(shù)進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置之后，只要輔助設(shè)置一些表面網(wǎng)格重構(gòu)，并且計(jì)算步長(zhǎng)、松弛因子選取合適，就能得到合理的收斂結(jié)果。計(jì)算區(qū)域示意和計(jì)算網(wǎng)格見圖2。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意和計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.2 Computational zone and computation grid model

2.2 計(jì)算方法和計(jì)算工況

采用三維非定常、RANS方程求解，多相流為考慮水汽相變的VOF模型，紊流計(jì)算使用RNGk-ε二方程模型。由于仿真問(wèn)題涉及筒口大氣泡的脈動(dòng)特性，采用VOF模型能清晰地捕獲氣液交界面變化特性，而且相較于Mixture模型和Eulerian模型，VOF描述方程少，計(jì)算規(guī)模也較小。為同時(shí)表述模擬彈平動(dòng)和筒蓋轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致的網(wǎng)格變化，模型中使用了4種動(dòng)網(wǎng)格更新方法:彈簧光滑近似法、動(dòng)態(tài)分層法、域動(dòng)分層法和網(wǎng)格重構(gòu)法。模擬彈運(yùn)動(dòng)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)用Profile文件編制時(shí)間歷程來(lái)予以控制，為較好地描述模擬彈運(yùn)動(dòng)，模型中同時(shí)采用了對(duì)接網(wǎng)格和域動(dòng)分層法動(dòng)網(wǎng)格更新技術(shù):對(duì)接網(wǎng)格的使用就是把計(jì)算區(qū)域分割成動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和不動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，并將動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域與不動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的連通環(huán)節(jié)設(shè)置成對(duì)接邊界;定義動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的目的就是將動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域設(shè)置為隨同模擬彈一起運(yùn)動(dòng)，保證將域動(dòng)分層法動(dòng)網(wǎng)格更新所產(chǎn)生的網(wǎng)格生長(zhǎng)和潰滅邊界移至發(fā)射筒筒底和水面，這有利于數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性。描述筒蓋的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型中同時(shí)使用了對(duì)接網(wǎng)格和網(wǎng)格重分技術(shù):對(duì)接網(wǎng)格的使用能有效地將筒蓋局部區(qū)域中適合于描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和實(shí)施網(wǎng)格重構(gòu)算法的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與其他區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實(shí)施對(duì)接，保證模型只有包容筒蓋運(yùn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格才是四面體網(wǎng)格，這能有效減少網(wǎng)格數(shù)，從而減小計(jì)算規(guī)模;筒蓋的運(yùn)動(dòng)是繞軸承基座鉸鏈軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在柔性支撐系統(tǒng)中，若將筒蓋簡(jiǎn)化為剛體，則筒蓋及其支撐系統(tǒng)就可簡(jiǎn)化為一個(gè)受激勵(lì)作用的扭簧振子，設(shè)I為筒蓋繞軸承基座鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Mc為流場(chǎng)作用于筒蓋上的力矩(繞軸承基座鉸鏈軸)，K為柔性支撐環(huán)節(jié)的支撐剛度，α為蓋體擺動(dòng)的角度，則蓋體運(yùn)動(dòng)的控制方程為

筒蓋局部區(qū)域動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格重構(gòu)就是根據(jù)上述方程編寫相應(yīng)程序，并設(shè)置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格重構(gòu)準(zhǔn)則參數(shù)來(lái)予以控制的。

為反應(yīng)空行程量對(duì)筒蓋受載特性的影響，計(jì)算選取了9種工況，每種工況的模擬彈出筒速度均為23 m/s，且模擬彈出筒時(shí)刻彈射工質(zhì)氣體的初始?jí)簭?qiáng)、溫度和水汽比例由內(nèi)彈道仿真預(yù)示程序提供［11］，初始?jí)簭?qiáng)為 0.291 MPa，初始溫度為405.9 K，彈性橡膠的支撐特性折算為扭轉(zhuǎn)剛度后為10 886.0 N·m/rad，為保證剪切銷有效解鎖，按文獻(xiàn)［6］中筒蓋剛性支撐時(shí)筒蓋受載力矩的2/3設(shè)置解鎖載荷，即當(dāng)筒蓋受載力矩達(dá)到1 218.33 N·m時(shí)剪切銷斷裂，筒蓋解鎖。

3 結(jié)果分析

3.1 云圖分析

考慮到9種計(jì)算工況在相應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)的壓強(qiáng)、速度和兩相分布云圖基本相似，不同之處只是在具體量值方面略有差異，因此這里僅就工況1進(jìn)行說(shuō)明。

在導(dǎo)彈的彈射發(fā)射過(guò)程中，筒蓋系統(tǒng)要承受3個(gè)明顯的正、負(fù)壓峰的影響，第1個(gè)正負(fù)壓峰主要由均壓氣體的擠排出筒造成，其作用峰值小，在此不予列出;圖3是第2個(gè)正壓峰時(shí)刻、氣泡過(guò)度膨脹筒口出現(xiàn)低壓峰時(shí)刻以及第3個(gè)負(fù)壓峰時(shí)刻發(fā)射筒筒口對(duì)稱面上的兩相分布云圖。從中可看出，在模擬彈飛離發(fā)射筒筒口的過(guò)程中，發(fā)射筒內(nèi)的高溫高壓氣體將尾隨導(dǎo)彈從筒口噴出，并在筒口形成一個(gè)高壓氣泡，這時(shí)氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)顯著高于周圍環(huán)境壓強(qiáng)，然后氣泡隨著模擬彈的飛離繼續(xù)膨脹，直到達(dá)到氣泡過(guò)度膨脹狀態(tài)(此時(shí)氣泡達(dá)到體積最大狀態(tài)，而且大部分筒蓋均被氣泡包裹)，緊接著氣泡開始收縮并出現(xiàn)氣泡分裂現(xiàn)象，其中部分氣泡尾隨模擬彈飛離，而筒口氣泡在收縮過(guò)程中由于海水回灌受筒蓋影響而出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象，氣泡主要集中在有蓋一側(cè)，而無(wú)蓋一側(cè)受海水?dāng)D壓作用十分明顯，且有部分氣泡分裂開來(lái)，此時(shí)筒口氣泡又處于壓縮狀態(tài)，過(guò)壓縮之后又會(huì)重新膨脹。

3.2 筒蓋受載分析

由于仿真工況較多，進(jìn)行圖示處理比較紛亂，這里僅就α2=0而α1不同時(shí)筒蓋受載和筒蓋擺動(dòng)角度時(shí)間歷程進(jìn)行圖示對(duì)比，如圖4所示。

圖3 筒口對(duì)稱面上的兩相分布特性對(duì)比Fig.3 Phase distribution of symmetric surface

圖4 筒蓋受載和筒蓋擺動(dòng)角度時(shí)間歷程對(duì)比(α2=0)Fig.4 Load-time curve over cover and angle-time curve(α2=0)

從圖4可看出，不同工況在剪切銷剪斷前筒蓋受載時(shí)間歷程是相同的，而筒蓋受載力矩達(dá)到第2個(gè)正峰值之后，剪切銷斷裂，筒蓋變?yōu)樽杂摄q支，受載力矩逐漸變小，當(dāng)空行程α1結(jié)束后，筒蓋系統(tǒng)變?yōu)閺椥灾?，這時(shí)，筒蓋受載力矩會(huì)再次回升，只是這時(shí)受載力矩回升的峰值不大，并且很明顯，α1越大，筒蓋受載力矩的第3個(gè)正峰值就越小，而受載力矩的第2個(gè)負(fù)峰值與α1成負(fù)相關(guān)關(guān)系;考察其他仿真工況發(fā)現(xiàn)，筒蓋受載力矩的正峰值都能得到很好的降低，而筒蓋受載的負(fù)峰值則沒(méi)有明顯的規(guī)律可循，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

表1列出了不同工況筒蓋受載力矩第3個(gè)負(fù)峰值的相關(guān)數(shù)據(jù)情況(其中，t為筒蓋受載力矩達(dá)到第3個(gè)負(fù)峰值的時(shí)刻;Δαmax是筒蓋受載達(dá)到第3個(gè)峰值時(shí)刻彈性支撐環(huán)節(jié)的壓縮量;Mmax是筒蓋受載力矩的第3個(gè)負(fù)峰值)，從中可看出筒蓋受載力矩達(dá)到第3個(gè)負(fù)峰值的時(shí)刻點(diǎn)基本一致;分析表中數(shù)據(jù)可見，筒蓋受載力矩的第3個(gè)負(fù)峰值是由彈性支撐的壓縮量Δαmax與筒蓋空行程幅度 β=α1+α2的比值決定，基本上Δαmax/β的值越小，筒蓋受載力矩的第3個(gè)負(fù)峰值就越小。

表1 筒蓋受載力矩第2個(gè)負(fù)峰值對(duì)比Table 1 Comparison of the second negative load peak over cover

3.3 筒蓋系統(tǒng)支撐環(huán)節(jié)受載

為獲取筒蓋支撐環(huán)節(jié)的支撐反力，本文對(duì)筒蓋取分離體，進(jìn)行了受力分析，其受載特性見圖5，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理可獲取筒蓋支撐環(huán)節(jié)的支撐反力特性，其中在X軸方向:

縱向Y軸方向:

式中m為筒蓋質(zhì)量;r為筒蓋質(zhì)心到鉸鏈中心的距離;Fsx、Fsy為支撐環(huán)節(jié)所承受的支反力。

圖5 筒蓋的受載分析Fig.5 Schematics of load analysis over cover

而支撐環(huán)節(jié)的支反力矩為

式中 Δα為彈性支撐的壓縮量。

表2列出了不同工況下筒蓋系統(tǒng)彈性支撐環(huán)節(jié)最大彈性壓縮量和支撐環(huán)節(jié)受載力矩峰值。

表2 筒蓋系統(tǒng)彈性環(huán)節(jié)最大彈性壓縮量和支撐受載力矩峰值對(duì)比Table 2 Maximum compression of flexible part and maximum load over cover

表2中，(α-α1)max為筒蓋彈性支撐環(huán)節(jié)正向最大的彈性壓縮量;M1為支撐環(huán)節(jié)受載力矩的第2個(gè)負(fù)峰值;(α-α2)max為筒蓋彈性支撐環(huán)節(jié)負(fù)向最大的彈性壓縮量;M2為支撐環(huán)節(jié)受載力矩的第3個(gè)正峰值。很明顯支撐環(huán)節(jié)受載力矩的第2個(gè)負(fù)峰值與筒蓋處于自由鉸支環(huán)節(jié)正向自由擺動(dòng)的幅度α1是負(fù)相關(guān)關(guān)系，α1相同時(shí)不同工況下支撐環(huán)節(jié)受載力矩的第2個(gè)負(fù)峰值相等。而對(duì)于支撐環(huán)節(jié)受載力矩的第3個(gè)正峰值，在+5_0時(shí)最小，而綜合對(duì)比剛性支撐、柔性支撐以及帶空行程的柔性支撐不難發(fā)現(xiàn)，筒蓋系統(tǒng)支撐環(huán)節(jié)的受載特性是空行程+5_0的柔性支撐最好，相對(duì)于剛性支撐而言，其第2負(fù)向載荷降低56%，第3正向載荷降低43%，起到了比較良好的降載效果，而且留有的空行程量不大，也便于工程實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

提出了帶空行程的柔性支撐方案;基于帶相變的VOF模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)并采用三維對(duì)稱模型對(duì)潛射模擬彈筒蓋系統(tǒng)帶空行程的柔性支撐方案進(jìn)行了仿真分析，獲得了筒蓋以及筒蓋支撐環(huán)節(jié)的受載特性以及筒蓋的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)比分析表明，帶空行程的柔性支撐方案+5_0能很大程度地降低筒蓋支撐環(huán)節(jié)的受載狀態(tài)，而且空行程的幅度也不大，這對(duì)于工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有重要的指導(dǎo)意義。

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Flexible support technique for depressing load over cover system of underwater-launched emulating missile

WANG Han-ping，YANG Ming，DUAN Lei
(School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)

A flexible-support technique with blank travel for depressing load over cover system was brought forward.The fluid field near canister outlet for underwater-aunched emulating missile and its effect on cover system were modeled and simulated using a 3D symmetric model based on dynamic meshing technique and VOF model with phase transformation.The characteristics of bubble pulsation near canister outlet，time-variable load over the cover and its supporting component and dynamics characteristics of cover were achieved through simulation of 9 cases.The results show that flexible-support technique with blank travel for depressing load over cover was feasible.It provided a new kind of reference standard for load-depressing cover system design.

underwater launcher;underwater-launched missile;pressure field near canister outlet;VOF model;multiphase fluid;dynamic meshing;flexible-supported

V553.1+3

A

1006-2793(2012)03-0306-05

2011-09-16;

2011-11-01。

王漢平 (1971—)，男，副教授，研究方向?yàn)楸靼l(fā)射理論與技術(shù)。E-mail:whp161@bit.edu.cn

(編輯:呂耀輝)