基于多介质ALE算法的柱体高速垂直入水仿真
发布时间：2021-08-27 14:37
针对未来海上平台发射的大口径平头回转体高速入水过载问题,为了探究柱体头部圆倒角大小对柱体垂直入水的动力学响应,使圆倒角平头柱体外形设计满足高速入水强度要求,文中通过入水载荷及空泡验证了任意拉格朗日-欧拉（ALE）算法计算此类问题的正确性。并应用该算法对速度为300m/s的不同倒角柱体垂直入水进行数值仿真,得到其入水冲击作用下的动力学响应。通过对入水过程中柱体速度和加速度的分析,得出如下结论:入水初期,随着柱体头部倒角的增大,速度的衰减越来越小;柱体入水时受到的冲击加速度会出现振荡;一定尺寸的圆倒角能有效减小柱体入水时的冲击加速度,球头柱体入水的冲击加速度峰值最小,在数值上不到平头柱体的1/10;平头柱体垂直入水的载荷峰值与其头部圆顶面积呈线性正相关。以上方法及结论可为柱状结构体入水冲击过程研究以及高速入水回转体外形设计提供一定参考。
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(01)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
柱体模型Fig.1Cylindermodel
2020年2月水下无人系统学报第28卷84JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn结果精度较高,并且计算时间上较为经济,对柱体按照该尺寸进行网格划分后其有限元模型分别如图1中(a)~(f)所示。在LS-DYNA中建立1/2水域和空气的三维图1柱体模型Fig.1Cylindermodel计算域模型。为了避免截断空气域与水域对结果的影响,设空气域长100cm、宽50cm、高50cm;水域长100cm、宽50cm、高100cm。由于计算域较大,对计算域的网格划分尺寸为柱体网格尺寸的2倍,即网格为边长1cm的六面体单元。划分网格后水域有5×105个单元,空气域有2.5×105个单元,计算域模型以及对称面的网格如图2所示。图2计算模型Fig.2Computationalmodel由于计算模型为1/2模型,需对对称面上的节点进行运动约束。为了避免入水冲击波在空气域和水域模型边界的反射对求解的影响,将空气域和水域的边界设置为无反射边界条件,使空气域和水域为无限区域。1.4修改关键字文件将*SECTION_SOLID关键字改为*SECTION_SOLID_ALE,其单元算法选项ELFORM取11,即ALE多介质单元。添加ALE算法控制关键字*CONTROL_ALE。添加定义多介质单元的关键字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP,允许流体网格中同时存在空气和水2种介质。添加定义流固耦合关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID,此关键字是定义流固耦合中较为重要的关键字,通过此关键字来实现Lagrange实体即文中的柱体与Euler或ALE实体即文中的空气与水域的耦合。该关键字下定义了以下参数:SLAVE为从属部ID,其编号在SSTYP中选择对应Lagrange柱体实体;MASTER为主部件ID,其编号在MSTYP中选择对应ALE实体;CTYPE为耦合类型,在流固耦合计算中一般采用罚函数耦合方式4;PFAC为接触刚度又称罚函数耦合系数,该参数的?
2020年2月汪振,等:基于多介质ALE算法的柱体高速垂直入水仿真第1期水下无人系统学报www.yljszz.cn85理论推算得到其阻力系数Cd=0.384,并且经过试验验证[13]。所以,在稳定航向阶段,半球头圆柱柱体垂直入水状态与球体入水相似,在300m/s工况下,入水阻力系数取Cd=0.384。在不计重力的情况下,其入水阻力22211=π22cwdwdfACvRCv(9)冲击加速度221π2wdaRCvm(10)式中:fc为入水阻力;a为结构体入水阻力加速度;Cd为入水结构体阻力系数;A为入水结构体最大横截面积;v为入水结构体实时速度;m为入水体质量;ρw为流体密度。利用以上理论进行计算:选取入水结构体为45号钢,密度为7850kg/m3,流体海水密度为1025kg/m3,半径为10cm,总长为30cm,入水速度为300m/s。将上述数据代入理论公式算得体积32313ππ0.00211m24VRRh;质量mV16.56kg;加速度2218396m/s2wDvACam。针对上述数值模型,载荷数值计算结果如图3所示。图3球头柱体入水载荷曲线Fig.3Water-entryloadcurveofsphericalcylinder从图3可以看出,时间达到200s时,柱体已经开始进入稳定航行的开空泡阶段。对时间为200~1000s的载荷数据取均值得到加速度为8650m/s2,与理论计算值的误差在3%以内,说明该方法数值计算准确度较高。由于计算1000s时对仿真数据采样记录时间间隔为4s,所以图3中峰值载荷较小于图8中计算200s时数据采样记录时间为1s时的峰值载荷。后续提到的冲击载荷单位为g,为方便计算取g=10m/s2。2.2空泡验证文献[14]在研究鱼雷垂直入水的空泡外形时认为,除了弹体头部附近以外,入水初期空泡几乎为一精确的抛物面。理论上的预
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超. 兵工学报. 2018(07)
[2]基于ALE方法的楔形体入水分析[J]. 李上明,屈明. 计算机辅助工程. 2018(03)
[3]超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究[J]. 陈诚,袁绪龙,党建军,徐强. 兵工学报. 2018(06)
[4]平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析[J]. 黄志刚,孙铁志,杨碧野,张桂勇,宗智. 爆炸与冲击. 2019(04)
[5]入水冲击问题综述[J]. 秦洪德,赵林岳,申静. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[6]刚性截锥形弹体入水冲击载荷[J]. 魏卓慧,王树山,马峰. 兵工学报. 2010(S1)
[7]入水冲击问题研究的现状与进展[J]. 王永虎,石秀华. 爆炸与冲击. 2008(03)
[8]弹体入水弹道研究综述[J]. 顾建农,张志宏,郑学龄,金连宝. 海军工程大学学报. 2000(01)
本文编号：3366536
【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(01)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
柱体模型Fig.1Cylindermodel
2020年2月水下无人系统学报第28卷84JournalofUnmannedUnderseaSystemswww.yljszz.cn结果精度较高,并且计算时间上较为经济,对柱体按照该尺寸进行网格划分后其有限元模型分别如图1中(a)~(f)所示。在LS-DYNA中建立1/2水域和空气的三维图1柱体模型Fig.1Cylindermodel计算域模型。为了避免截断空气域与水域对结果的影响,设空气域长100cm、宽50cm、高50cm;水域长100cm、宽50cm、高100cm。由于计算域较大,对计算域的网格划分尺寸为柱体网格尺寸的2倍,即网格为边长1cm的六面体单元。划分网格后水域有5×105个单元,空气域有2.5×105个单元,计算域模型以及对称面的网格如图2所示。图2计算模型Fig.2Computationalmodel由于计算模型为1/2模型,需对对称面上的节点进行运动约束。为了避免入水冲击波在空气域和水域模型边界的反射对求解的影响,将空气域和水域的边界设置为无反射边界条件,使空气域和水域为无限区域。1.4修改关键字文件将*SECTION_SOLID关键字改为*SECTION_SOLID_ALE,其单元算法选项ELFORM取11,即ALE多介质单元。添加ALE算法控制关键字*CONTROL_ALE。添加定义多介质单元的关键字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP,允许流体网格中同时存在空气和水2种介质。添加定义流固耦合关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID,此关键字是定义流固耦合中较为重要的关键字,通过此关键字来实现Lagrange实体即文中的柱体与Euler或ALE实体即文中的空气与水域的耦合。该关键字下定义了以下参数:SLAVE为从属部ID,其编号在SSTYP中选择对应Lagrange柱体实体;MASTER为主部件ID,其编号在MSTYP中选择对应ALE实体;CTYPE为耦合类型,在流固耦合计算中一般采用罚函数耦合方式4;PFAC为接触刚度又称罚函数耦合系数,该参数的?
2020年2月汪振,等:基于多介质ALE算法的柱体高速垂直入水仿真第1期水下无人系统学报www.yljszz.cn85理论推算得到其阻力系数Cd=0.384,并且经过试验验证[13]。所以,在稳定航向阶段,半球头圆柱柱体垂直入水状态与球体入水相似,在300m/s工况下,入水阻力系数取Cd=0.384。在不计重力的情况下,其入水阻力22211=π22cwdwdfACvRCv(9)冲击加速度221π2wdaRCvm(10)式中:fc为入水阻力;a为结构体入水阻力加速度;Cd为入水结构体阻力系数;A为入水结构体最大横截面积;v为入水结构体实时速度;m为入水体质量;ρw为流体密度。利用以上理论进行计算:选取入水结构体为45号钢,密度为7850kg/m3,流体海水密度为1025kg/m3,半径为10cm,总长为30cm,入水速度为300m/s。将上述数据代入理论公式算得体积32313ππ0.00211m24VRRh;质量mV16.56kg;加速度2218396m/s2wDvACam。针对上述数值模型,载荷数值计算结果如图3所示。图3球头柱体入水载荷曲线Fig.3Water-entryloadcurveofsphericalcylinder从图3可以看出,时间达到200s时,柱体已经开始进入稳定航行的开空泡阶段。对时间为200~1000s的载荷数据取均值得到加速度为8650m/s2,与理论计算值的误差在3%以内,说明该方法数值计算准确度较高。由于计算1000s时对仿真数据采样记录时间间隔为4s,所以图3中峰值载荷较小于图8中计算200s时数据采样记录时间为1s时的峰值载荷。后续提到的冲击载荷单位为g,为方便计算取g=10m/s2。2.2空泡验证文献[14]在研究鱼雷垂直入水的空泡外形时认为,除了弹体头部附近以外,入水初期空泡几乎为一精确的抛物面。理论上的预
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超. 兵工学报. 2018(07)
[2]基于ALE方法的楔形体入水分析[J]. 李上明,屈明. 计算机辅助工程. 2018(03)
[3]超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究[J]. 陈诚,袁绪龙,党建军,徐强. 兵工学报. 2018(06)
[4]平头锥型回转体高速入水结构强度数值分析[J]. 黄志刚,孙铁志,杨碧野,张桂勇,宗智. 爆炸与冲击. 2019(04)
[5]入水冲击问题综述[J]. 秦洪德,赵林岳,申静. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[6]刚性截锥形弹体入水冲击载荷[J]. 魏卓慧,王树山,马峰. 兵工学报. 2010(S1)
[7]入水冲击问题研究的现状与进展[J]. 王永虎,石秀华. 爆炸与冲击. 2008(03)
[8]弹体入水弹道研究综述[J]. 顾建农,张志宏,郑学龄,金连宝. 海军工程大学学报. 2000(01)
本文编号：3366536
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