三维刚体椭圆头结构高速倾斜入水冲击模拟

2012-01-22，

船海工程 2012年3期

，

(1.南通中远川崎船舶工程有限公司，江苏南通 226005；2.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024)

结构入水问题按照结构物入水的速度可分为低速和高速入水问题。对于低速入水的研究相对来说比较成熟，但对于高速入水的研究一直以来没有获得较大的突破。尽管诸多学者在该领域作了大量卓有成效的工作[1-8]，但是由于结构在高速入水初期抨击载荷的非线性和复杂性，仍有很多问题有待研究。本文运用ANSYS/LS-DYNA数值分析软件模拟刚体椭圆头结构倾斜入水问题。

1 仿真模型

1.1 模型介绍

本文建立的是刚体椭圆头结构、空气域、水域的三维计算模型。入水椭圆头结构，采用刚体材料，应用Lagrange算法。空气和水域采用的欧拉材料，应用ALE多物质算法。为避免模型边界影响计算结果，水域深度取为入水结构大小的5倍，在模型边界上施加无反射条件。由于需要计算倾斜入水的算例，网格全部划分为均匀网格。为减少计算网格数量，仅建立1/2模型，在对称面上施加对称边界条件。对称后的椭圆头结构、空气域、水域模型见图1～2。

1.2 状态方程

考虑到高速入水冲击时材料大变形的特点，水和空气的状态方程都采用Gruneisen状态方程，通过该状态方程可以定义水和空气的压力为

图1 刚体椭圆头结构模型示意

图2 空气和水域模型示意图

(1)

式中:C——μs-μp(冲击波速度-质点速度)曲线的截距;

α——对Gruneisen 系数γ0的一阶体积修正;

s1——μs-μp曲线斜率系数；

E——材料初始内能；

μ——体积变化率μ=ρ/ρ0-1。

1.3 模型有效性验证

为验证仿真模型的有效性，首先进行弹丸高速垂直入水模拟计算，并与实验结果进行比较。弹丸入水实验是由施红辉等2002年进行的，实验原理见图3。

图3 弹丸入水实验原理

通过实验箱中的压力传感器可测的水域中远场冲击压力。对仿真计算所涉及的关键参数(如罚函数系数、质量缩放因数、沙漏能、时间步长)及网格大小优化确定后，速度v=352 m/s弹丸高速入水抨击时，水域中不同位置处的压力实验值与仿真计算值的比较结果见表1。

表1 弹丸v=352 m/s垂直入水时，在水域中不同位置处的压力峰值的实验值Pe与仿真值Ps的比较

通过比较计算发现：数值模拟结果跟实验值的相对误差小于10%，考虑到压力波在水传播的脉冲特性，误差在可接受范围内。

2 仿真计算与结果分析

2.1 入水抨击载荷

研究目的之一是获得结构在入水初期所遭受的冲击载荷(最大压力值或压力峰值)，为结构设计提供强度数据参考。刚体椭圆头结构入水时，所受抨击压力峰值跟入水速度和入水角度有关系。为得出入水条件对抨击压力峰值的影响关系，分别模拟椭圆结构以入水角度φ(见图4)，入水速度v(300、500、600和800 m/s)的入水情况。

图4 椭圆头结构入水角度示意

计算模拟椭圆头结构在不同入水条件下的入水，得到结构在入水初期所遭受抨击压力峰值曲线，见图5。

图5 入水冲击压力峰值曲线

对上述压力峰值结果进行分析整理后，拟合得到刚体椭圆头结构倾斜入水时(入水角度φ∈(15°，45°)，所受抨击压力峰值p为

p=(aφ+b)ekv

(2)

式中：k——入水速度的相关系数，v∈(300,800)

m/s时，k约为0.375 3；

a、b——入水角度相关系数，

φ∈(15°,45°)，

a、b约为2.556和124.280。

根据以上计算及分析结果，椭圆头结构以大。角度φ∈(15°,45°)高速倾斜入水时，在结构入水初期，椭圆头结构所遭受的压力峰值随入水速度的增加而增大，并近似成指数级关系增长。

2.2 冲击载荷的特点

椭圆头结构入水冲击瞬间，由于结构对水的冲击作用，水面会被瞬间压缩，水中会形成冲击流场，并伴有冲击压力波产生。选取同一水平高度上的4个相邻水域单元，其压力历程曲线见图6。

图6 水域中某点处压力历程曲线

通过曲线可以看出流场中某点处压力变化情况，如单元221 233位置处。某时刻开始，该位置处会瞬间出现很高压力峰值(压力脉冲)，第一个压力峰值从出现到衰减为零仅需要0.02 ms左右，之后会再次出现压力峰值，但第二个压力峰值已明显大幅降低。因此可以判断：冲击载荷对结构的破坏作用主要发生在入水初期。从动量的观点看，尽管入水初期冲击压力巨大，但作用时间短，因此对结构入水后运行的轨迹影响较小。