超空泡射弹动力学稳定性分析

运用动力学方法研究了超空泡射弹在水中的稳定性,建立了水中运动的数学模型。分析表明:细长型的弹丸外形设计加快了射弹在弹丸轴方向上运动的衰减,对弹丸在水中运动的稳定性有很大的影响,能提高弹丸水中运动的稳定性。     

基于Logvinovich原理射弹超空泡形态解析解研究

为快捷、简便地分析运动射弹的超空泡形态,利用Logvinovich原理、Riabouchinsky空泡闭合模型和射弹动力学方程,推导了射弹运动过程中空泡形态解析解和空泡参数的计算公式,得到了自然超空泡扩展的一些规律。计算结果与经验公式比较,吻合较好。算例分析表明:首尾压差对射弹速度影响较小,当射弹速度不小于100m/s,射弹在水中的深度不大于100m时,压差的影响可以忽略;完整空泡扩展时间非常短,且随着射弹运动时间增大而减小,逐渐趋于平缓;空泡数0.06、射弹速度60m/s左右时,超空泡开始蜕化为局部空泡。     

超空泡射弹动力稳定性的非概率可靠性分析

超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。     

不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究

为研究射弹头型对低速倾斜入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同头型射弹低速倾斜入水对比试验,得到了射弹头型对入水空泡、运动速度、俯仰角和阻力系数的影响规律。试验结果表明：同一入水时刻,空泡直径随着头部锥角增加而增大,半球头型射弹入水空泡直径小于锥角头型射弹;锥角头型射弹速度衰减速率随着锥角增加而增大,半球头型射弹速度衰减率小于锥角头型射弹;入水过程中半球头型射弹俯仰角变化最为剧烈,弹道稳定性也较差;不同头型射弹在入水过程中运动参数呈现出较强的非线性特性。     

细长体射弹高速水平入水研究

为研究射弹在水中航行的弹道特性,对细长体射弹高速水平入水进行了实验,并利用高速摄像机进行了自动同步拍摄,研究了超空泡的形成和发展过程,以及水箱底部2处位置在水下压力波影响下的压力变化趋势; 基于动网格技术模拟了射弹在水中的航行过程,获得了射弹质心的位移、速度、加速度、射弹的偏转角度等物理量的变化规律,通过对航行过程中空化现象的详细分析得到了射弹空化发生的部位。结果表明:由于受水压力波影响,射弹周围水域压力会出现突跃; 射弹航行过程中先在弹肩部位发生空化; 射弹航行过程中尾部在空泡内发生偏移以保证航行的稳定性。     

衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响

为研究衡重参数对超空泡射弹有效射程的影响,基于流体体积多相流模型和刚体空间运动方程组,建立超空化流场和刚体运动相耦合的仿真方法,通过与文献\[23\]试验结果对比验证仿真方法的合理性。通过仿真计算研究超空泡射弹的水下弹道运动特性,获得质心位置、质量等典型衡重参数对射弹有效射程的影响规律。研究结果表明：超空泡射弹的水下弹道具有稳定尾拍现象,尾拍的波长和振幅近似恒定;后移质心可有效增加超空泡射弹的水下增程,质心位置后移9%,水下射程提高14%;增加射弹质量可显著增加水下射程,质量增大150%,水下射程提高70%。     

基于6DOF超空泡射弹减阻性能分析

为了研究射弹运动过程中的空泡形态和减阻性能,基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型和6DOF动网格技术,利用Fluent14.0对带圆锥空化器射弹进行了数值研究.分析了超空泡射弹在运动过程中空泡的形成和溃灭过程、射弹的弹道及与全沾湿下射弹速度衰减对比.结果表明随着射弹的运动,弹后空泡逐渐溃灭,射弹有上浮趋势,且射弹减速度逐渐减小,与全沾湿相比,超空泡减阻率高达70.1％.该结果对研究动态超空泡提供了一定的理论依据.     

高速射弹出水过程中水弹道问题研究

在研制高速射弹出水实验装置的基础上,利用实验和数值模拟的方法研究了细长圆柱型射弹(简称射弹)高速出水时包裹着射弹的超空泡的发展、脱落及其与自由面相互作用的全过程。根据测得的实验数据,计算出高速射弹出水过程中的空化数和阻力系数,参考Reichardt和Munzner以及Logvinovich公式,给出了阻力系数和空化数的多项式关系拟合公式,进一步形成了阻力系数归一化数值处理方法。结果表明:该高速射弹出水瞬间存在攻角时,非轴对称的空泡溃灭会使射弹的运动方向发生偏转;适当增大射弹的长径比或空化器长度,有利于高速射弹的水下运动减阻。基于FLUENT软件并采用VOF方法,对高速射弹出水过程进行了三维数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好。该文还给出一个出水过程中水弹道偏转的示例,说明射弹在水下与超空泡壁面的碰撞滑移会引起水中弹道的偏移。     

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响，基于有限体积法和Mixture多相流模型，结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型，比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性，分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明：射弹尾拍时，尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡，尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大，同攻角下射弹所受的力矩越大，尾拍频率越高，速度衰减越快，在不失稳的情况下，射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹；4种射弹都存在与射弹的几何形状有关，而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态，此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。     

水下射弹的空泡形态特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了水下射弹空泡流动的多相流CFD模型,对水下运动射弹的空泡特性进行了数值模拟,将数值仿真结果与试验数据进行了对比,数值计算与试验结果符合较好.在此基础上,计算了零攻角条件的不同头形空化器及相关参数变化的水下射弹空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对水下射弹运动形成空泡形态的影响.研究结果为进一步研究水下射弹的空泡运动提供了理论参考.     

不同头部形状弹体侵彻混凝土的试验研究

为研究弹体头部形状对侵彻性能的影响,对不同弹头部形状的弹体侵彻混泥土进行试验研究。设计平头型和卵形型2种不同类型的头部结构,基于DOP(depth of penetration)方法进行试验对比分析。结果表明：卵形结构弹体具有更好的侵彻性能,其稳定侵彻弹洞平直、弹道稳定、弹体结构抗弯刚度良好,卵形弹体头部越尖,侵彻性能越好。该研究可为弹体结构设计提供一定帮助。     

高速射弹表面超空泡形成特性的数值计算分析

基于均质平衡多相流理论,建立了水下高速射弹超空泡形成过程的数理模型,对12.7 mm口径射弹进行了水下射击试验,验证了模型的合理性。对不同速度的76 mm射弹进行了数值模拟。结果表明:在弹丸表面,沿轴线各点依次产生空化现象,但在弹丸头部区域内各点水蒸气含量呈线性增加; 在弹丸圆柱部区域,各点水蒸气含量先快速上升至0.3～0.4,随后维持平台期,再快速上升。射弹速度越快,平台期越短,超空泡形成得越快,超空泡形成时间满足指数型变化规律。在弹丸头部,空泡发展速率由快速的线性衰减阶段过渡到近似呈缓慢线性衰减的阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第一阶段中衰减得越快,衰减幅度也越大,而第二阶段中的衰减速度几乎不变。在弹丸圆柱部,空泡发展速率的变化分为快速衰减阶段与缓慢衰减阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第二阶段中衰减得也越快。弹丸表面摩擦阻力系数变化特性与弹丸圆柱部空化特性相对应。弹丸速度越快,阻力系数衰减越快,达到稳定时的值也越小; 当速度高于1 100 m/s后,阻力系数达到稳定的时间几乎不变,达到稳定时的数值变化也不大。     

一种基于数值虚拟飞行技术的弹丸稳定性评估方法

基于数值虚拟飞行技术,采用动态嵌套网格,耦合求解非定常N-S方程和六自由度刚体运动方程,发展了一种能够考虑非定常气动效应的弹丸稳定性评估方法.通过对典型外挂物投放标模和BRL的M852子弹标模进行数值模拟,验证了数值方法正确、有效,可以用于数值虚拟飞行模拟.最后对某质量模拟弹丸进行了虚拟飞行模拟,给出了不同扰动情况下的落点散布和飞行稳定性评估结论.     

含动边界的膛口流场数值模拟

膛口流场是一种非定常、多相并带有强激波间断和剧烈化学反应的复杂流场.采用基于局部网格重构法的非结构动网格技术处理弹丸运动造成的网格变化,给出一系列按时间顺序排列的膛口流场数值计算结果,描述了复杂的膛口流场形成发展过程,实现了含运动弹丸的膛口流场的数值模拟.结果表明,在弹丸射出初期弹丸在影响膛口流场的同时,也受膛口流场的影响,速度增加,弹丸穿出冲击波后,出现弹头激波,速度减小.计算结果与实验结果相符合,表明数值计算方法是合理可行的.     

弹丸在膛内的一般运动微分方程

本文建立了非对称弹丸在考虑火炮运动的膛内的一般运动微分方程组;推导了非对称弹丸在膛内所受的力和力矩的具体表达式;该方程组可用于对弹丸的任何膛内运动状态(定心部不与膛壁接触、与膛壁碰撞、贴膛)的运动进行求解,进而可计算弹丸的起始扰动.最后给出了解除弹丸质心的移动与绕心转动微分方程的耦合的弹丸运动微分方程。     

修正组件结构参数对旋转稳定弹道修正弹稳定性的影响研究

为提供修正组件优化与多种弹丸平台适配组件设计的参考与依据,结合弹-翼组合体气动特性理论简化模型与工程算法、复攻角理论及赫尔维兹稳定性原理,推导了与组件结构参数相关的弹道修正弹稳定性判据,并依此研究了修正组件结构参数（组件质量、质心位置、鸭翼翼展、舵偏角）对双旋式旋转稳定弹道修正弹飞行稳定性的影响规律。稳定性理论分析结果表明：相同组件外形(除鸭翼外)下,通过弹体配重或组件结构优化使组合体质心适当前移对弹丸飞行稳定性有利;为增大鸭翼修正力的同时减少对稳定性影响,增大舵偏角的方案相较于增大翼展更优。通过弹道仿真与飞行试验定性地验证了适当地前移质心可增强弹丸的飞行稳定性。     

装药长径比对聚能杆式侵彻体成型的影响

运用LS-DYNA仿真软件模拟了聚能杆式侵彻体的成型,并通过X光成像试验进行了验证,试验结果与数值模拟结果吻合较好.分别研究了同一时刻、同一炸高及断裂时刻,不同装药长径比聚能杆式侵彻体的成型情况,找出了获得较佳聚能杆式侵彻体的装药长径比为0.9～1.2.研究结果表明,当装药长径比超过1.2,再增加装药长径比对聚能杆式侵彻体头部速度影响很小;装药长径比大于0.9以后聚能杆式侵彻体的飞行稳定性较佳.     

动能弹斜侵彻运动装甲目标的数值模拟

利用LS-DYNA3D软件对弹体侵彻运动装甲板进行了数值模拟研究,从弹体剩余速度和靶板破坏程度的角度分析了弹体侵彻运动装甲的能力.得出了弹体速度随时间的变化规律,结果表明,弹体初速度、装甲运动速度及方向、装甲的倾角对弹体的侵彻能力都有很大的影响.     

弹药几何因素对过载特性影响的数值分析

采用LS-DYNA有限元软件模拟了载有试件的尖形弹丸正侵彻混凝土靶板的过程。讨论了具有不同几何特点的尖头弹体的过载数学模型。研究了短头锥形和长头卵形弹体侵彻混凝土靶板的冲击过载特性及装药位置对小型装药过载的影响。仿真结果显示:短头锥形弹过载量大于卵形弹,且脉宽较大;位于接近前、后端的装药过载大于位于中间的装药过载。仿真结果与试验相符,为侵彻用弹体的结构设计和小型装药的过载安定性和可靠性评估提供参考。