大口径弹体高速入水载荷特性研究

针对未来海上平台发射大口径抛射体入水冲击载荷问题,为了研究速度接近200 m/s时,不同速度、入水角度以及攻角对大口径平头弹体入水径向载荷以及轴向载荷的影响,基于LS-DYNA软件,采用多介质ALE方法,对速度在150～190 m/s,入水角度在45°～60°之间,具有3°～7°攻角的弹体入水模型进行数值模拟。结果表明:在同一入水速度的情况下,轴向载荷峰值随入水角度的增加而增加,径向载荷峰值随着入水角度的改变有一定的波动; 在入水初期,径向载荷到达峰值后慢慢趋于稳定并收敛于0; 径向载荷的峰值出现在轴向载荷撞水瞬间产生的第1次小峰值时刻; 正攻角会使弹体产生顺时针旋转的径向载荷,负攻角会使弹体产生逆时针旋转的径向载荷,载荷大小随着攻角数值大小的增大而增大。     

刚性截锥形弹体入水冲击载荷

研究截锥形弹体垂直入水冲击载荷。建立了截锥形弹体垂直入水冲击载荷的理论计算模型;对截锥形弹体在不同入水速度和不同头部结构参数情况下的入水冲击载荷进行了计算;分析了入水速度、弹体头部参数和沾湿因子对入水冲击载荷的影响。研究结果对弹体入水冲击载荷的预测和截锥形弹体头部结构的设计具有参考价值。     

平头尖拱体斜入水冲击理论建模与仿真

以冲击体入水动力学和入水弹道学理论为基础,针对平头尖拱体入水冲击这个复杂物理现象,引人体现液面隆起现象的沾湿因子,用等效液面代替自由水平液面,建立了斜入水高速冲击的运动学和动力学冲击模型,其中动力学模型是根据平头尖拱体沾湿面的具体几何形状而建立。然后通过时间步进技术编制斜姿态入水冲击耦合程序进行仿真计算,不仅得到斜入水冲击的最大冲击载荷,而且得到入水初始状态条件和入水冲击载荷之间的关系,以及模型中考虑液面隆起对斜入水冲击载荷计算结果的影响。最后重点分析入水过程中轴向、纵向冲击载荷和冲击转动力矩的变化规律,为忽扑、击水弹跳现象或后继的弹道提供预报。     

基于6DOF的高速射弹入水超空泡特性研究

根据非定常不可压缩流动的N-S方程和k-epsilon湍流模型,利用VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,采用6DOF动网格,对反鱼雷射弹的入水过程进行了仿真。主要研究了两种具有不同空化器形状的射弹分别在入水角为30°和60°的工况下超空泡的形态和发展过程,以及阻力系数的变化情况。将仿真得到的空泡轮廓同经验公式计算结果进行对比,将仿真所得的弹体运动速度同在靶场进行实弹射击的测速结果进行对比,论证仿真程序的可靠性。结果表明:仿真结果与经验公式计算结果、实弹射击结果吻合程度较好,仿真成果可靠性较高;空化器形状对于阻力系数的大小有较大影响,入水角度对阻力系数的变化趋势有较大影响;弹体完全入水后升力系数、阻力系数因尾拍扰动而在一定范围内振荡,大入水角下弹体尾翼对水面的撞击较小入水角下剧烈。研究结果可为进一步研究反鱼雷射弹结构和超空泡射弹的优化提供必要参考。     

弹体高速入水弯曲弹道实验研究

通过模型高速入水实验,利用高速摄像机拍摄了弹体入水过程和空泡形态演变过程,得到了4种头部外形模型的弹道曲线,并分析了头型、入水角、入水速度对水下弹道的影响。研究结果表明：椭圆斜截头弹体由于其特殊的头部更容易产生偏向水面的弯曲弹道,而其他3种弹体在一定速度内弹道比较稳定,基本趋于直线,虽然在有些工况下弹道发生了偏转,这是由于弹体加工过程中结构误差等造成的弹道不稳定性;入水角对弹道影响比较显著,小的入水角条件下弹体迅速向水面偏转,而入水角增大到一定程度时弹道向缸体底部偏转。所得结论可为高速入水武器的研究提供参考。     

基于LS-DYNA 的弹体入水过程冲击响应仿真

针对新型破障炮弹、助飞鱼雷等入水武器装备研制需求,开展弹体入水过程的冲击响应数值模拟,对比 分析弹头形状、入水初速和入水角度对速度衰减及过载响应等产生的影响。仿真结果表明：平头弹速度衰减最快, 锥头弹次之,圆头弹衰减最慢;圆头弹过载峰值最小,其头形结构最利于水中运动的稳定;入水初速越大,速度衰 减越快,弹体所受载荷增加也越明显;圆头弹倾斜60°入水时,前期速度衰减相对较慢,后期加快,过载峰值相对较 低。该仿真可为弹体设计和入水初态选择提供理论参考。     

导弹撞击水幕动态响应数值模拟研究

利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件,对掠海飞行导弹撞击水幕的动态过程进行模拟,分析了水幕厚度对导弹飞行速度、弹体载荷以及弹体头部压力的影响。分析结果表明:水幕厚度变化对弹体飞行速度变化影响很小;导弹整体过载与水幕厚度以及弹体初速有关,水幕厚度小于0.4 cm或大于8 cm时弹体的轴向过载随弹体速度增加而增加;当弹体飞行速度在300 m/s左右,弹体头部获得最大的冲击压力。数值研究结果为分析研究爆炸水幕形成技术以及水幕反导毁伤机理提供了数据支撑。     

超空泡航行器20°角倾斜入水冲击载荷特性试验研究

为探究带圆盘空化器的超空泡航行器倾斜入水过程冲击载荷特性,开展了20°入水角条件下的试验研究。超空泡航行器由空气炮加速获得入水初速度,采用内置惯性测量单元记录载荷变化,试验完成后提取数据进行分析;试验设定了典型入水工况,分析了航行器入水冲击过程轴向载荷的变化特性,进行了入水速度和空化器面积对入水冲击载荷影响的系列试验,分析了各参数下的冲击载荷特性。研究结果表明：航行器入水冲击载荷峰值时刻侵彻距离为空化器直径的1.89倍, 阻力系数为稳定航行阶段的1.33倍;在所研究的范围内入水速度和空化器面积对阻力系数峰值无影响。     

超空泡射弹小入水角高速斜入水试验研究

为研究超空泡射弹小入水角高速斜入水性能,利用高速摄像技术开展了超空泡射弹入水试验。沿水下弹道轨迹的左侧等距布置压力传感器测试压力变化,分析弹体不同侧滑角入水冲击过程的弹道轨迹、喷溅演变和水下压力波传播特征。结果表明：对于射弹小入水角高速斜入水,弹体小侧滑角入水能形成较光滑透明的入水空泡和稳定的入水弹道,较大的侧滑角易造成空泡内严重雾化、弹道轨迹偏转和弹体损坏等现象,严重程度随侧滑角增大而增大;小侧滑角下弹头空化器及圆锥段斜面与水面的撞击使得入水喷溅在俯视下呈左右近似对称的“蝶”状,侧滑角对前半部分喷溅的左右对称性影响较小,对后半部分喷溅的对称性和范围影响较大,前半部分喷溅的对称轴随着侧滑角增大会出现相应偏转;入水冲击产生的水下压力波变化过程可分成两阶段：由弹体和水域冲击产生的初始压力波动阶段和各压力波叠加的高频脉动阶段,两阶段压力波动因侧滑角增加后入水状态的不同而呈现不同的变化特征。     

旋成体高速入水可压缩性影响研究

针对目前高速（≥100 m/s）跨水-气体界面多相流数值模拟中空化效应和水介质可压缩性影响等问题,建立一套高速入水数值模拟方法。以旋成体为计算模型,采用剪应力传递(SST) k-ω、 标准(Standard)k-ε、重整化群(RNG)k-ε及可实现(Realizable) k-ε 4种湍流模型进行数值模拟,得到速度衰减与入水深度随时间变化的结果及入水1 ms时的空泡形态,并与理论解比较。基于SST k-ω湍流模型与文献［15,17］实验开展对比研究,选取入水速度50 m/s、100 m/s、200 m/s、400 m/s、800 m/s进行计算。研究结果表明：采用SST k-ω湍流模型的数值模拟结果与理论解一致性最好,入水速度衰减、空泡发展与实验结果基本一致,证明该方法的有效性;在入水速度≤100 m/s时, 液体可压缩性对入水冲击载荷基本没有影响;在入水速度≥200 m/s时,随着入水速度增加,液体可压缩性对入水冲击载荷影响越大,会弱化入水冲击载荷及延缓最大载荷出现的时间;在考虑液体可压缩性时,空泡形态有收缩现象;入水速度越大,入水过程速度衰减越快,加速度值在入水初期较大;在计算模型周围被超空泡包裹的航行阶段,随着入水深度增加,加速度逐渐减小,加速度的变化逐渐平缓。     

刚性弹体侵彻加筋靶板的力学模型

采用动量守恒定理研究了截卵型刚性弹体对加筋靶板的侵彻贯穿问题.提出了刚性弹体侵彻贯穿加筋靶板的力学模型,并用来预测弹体贯穿加筋靶板后的剩余速度.在此基础上,利用该模型分析了加筋靶板加强筋的宽度和高度以及弹体的初始速度对弹体剩余速度的影响.模型预测结果与实验及数值结果相比较,三者具有较好的一致性,表明该模型是合理的.     

截卵形弹体Taylor撞击的变形特点和冲击载荷特性

以弹体在Taylor撞击实验中产生的冲击载荷以及载荷的潜在应用为主要关注点,采用理论与实验相结合的方法,对截卵形弹的撞击变形特点和冲击载荷特性进行研究。基于经典的平头弹Taylor撞击理论建立截卵形弹体的Taylor撞击分析模型,并对动量冲量守恒方程进行修正,修正后的模型预测结果更接近实际。设计并开展具有相同外径、相同质量的截卵形弹、平头弹的Taylor- Hopkinson撞击实验,对比两种头型弹体在变形模式、撞击载荷等方面的差异,分析产生不同脉冲形状冲击载荷的原因,讨论弹体在撞击过程中经历的整体高g值过载。结果表明：头部形状显著改变了冲击载荷的波形、脉宽特征,撞击速度主要影响冲击载荷的峰值;通过弹体头部形状设计和撞击速度控制能够实现冲击环境特性的调控;研究结果支持了将Taylor撞击实验应用于高g值实验加载的设想。     

平头弹在岩石(混凝土)介质中的侵彻计算方法

采用刚塑性不可压缩的介质模型,用极限分析理论的上限方法,通过建立动力学许可速度场得到介质对弹体侵彻的静阻力分量,通过破碎介质动量守恒条件得到弹体侵彻的动阻力分量,在模型中还考虑了介质的尺度关系和弹体的弹头形状两种影响因素。侵彻过程中的速度、加速度、阻力和经历时间通过弹体的运动方程增量计算得到。通过与几种常用经验公式比较说明了本文方法的实用和可靠性。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。     

截卵形弹体正侵彻加强筋结构靶的理论分析

为研究加强筋结构靶的抗弹性能,采用动量守恒定理,分析了截卵形弹体正侵彻加强筋结构靶的过程,给出了加筋靶破坏变形后凿块质量和花瓣等效质量的理论计算,得出了弹体剩余速度与位移、侵彻位置等物理量之间的关系;通过计算侵彻不同位置时弹体运动过程中筋形成花瓣的动量,得出筋产生最大动量的侵彻位置是弹体的截顶圆与筋中心线相切的位置;对理论计算与实验和数值计算进行了比较,结果表明三者是吻合的.     

暴雨环境下的弹丸气动特性数值模拟

为了研究暴雨条件对弹丸气动性能的影响,本文采用计算流体力学方法对极端暴雨条件下的弹丸气动特性开展数值模拟,通过求解三维定常可压缩的Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型来计算流场,利用双向动量耦合的Eulerian-Lagrangian方法对流场中离散的雨滴粒子进行轨迹追踪,并考虑由于气流湍流引起雨滴粒子的随机扩散效应以及雨滴粒子与弹丸表面的相互作用,分析了攻角和液态含水量对M910弹丸和某120 mm迫弹气动参数的影响。研究结果表明,暴雨环境对两种弹丸的升力系数均有较大的影响,当马赫数为0.7时,M910弹丸升力系数最大下降了14.5%,120 mm迫弹升力系数最大下降了21.9%,并且影响程度随着攻角的增大而逐渐降低; 两种弹丸的阻力系数受暴雨影响较小; 由于尾翼的原因,暴雨对迫弹(尾翼弹)的影响程度高于M910弹丸(旋转弹); 弹丸表面形成的不均匀水膜层以及雨滴粒子碰撞导致弹丸边界的动量损失是影响弹丸气动性能的主要原因。     

涡轮驱动悬浮装置动力特性分析和试验

为了研究悬浮子弹药悬停装置的可行性,设计了一种侧进气涡轮驱动悬浮装置,并进行了动力学分析和试验研究。组合动量理论和叶素理论建立了悬浮装置提升力分析模型,同时建立了侧进气涡轮动力分析模型,并通过试验,得到悬浮装置提升力大小和喷嘴分布、射流入射角与质量流率对涡轮驱动性能的影响。     

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。     

弹体穿越冰水混合物流动过程的数值模拟

针对潜射导弹穿越冰水混合物的过程进行数值模拟。基于ANSYS/LS-DYNA商用软件,采用ALE算法,建立了冰的破碎模型,流体区域包含水与空气2种流体介质,水与空气采用NULL材料模型,水介质的状态方程采用Gruneisen状态方程。对细长弹体、冰体以及流体域进行建模,利用欧拉-拉格朗日耦合方法对弹体、冰体以及流体域进行流固耦合计算。对不同冰体分布方式(规则分布、菱形分布、随机分布)和不同弹体相对位置(冰体正下方、冰体间隙)的弹体出水过程进行对比计算研究,获得了弹体在穿越冰水混合物过程中流场的密度、压力、应力、速度随时间的变化规律,以及不同工况下的弹体质心位移情况。数值模拟结果表明:弹体在水下运动过程中空泡逐渐扩大,空化现象显著; 流场应力的存在对弹丸运动产生一定的影响; 不同冰体分布方式及初始弹体相对位置,会造成弹体质心位移不同。