水面橡胶弹性发射器发射鱼雷内弹道仿真

李宗吉, 任 蕾, 孙玉松, 梁能桂



水面橡胶弹性发射器发射鱼雷内弹道仿真

李宗吉1, 任 蕾2, 孙玉松1, 梁能桂3

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军工程大学 装备经济管理系, 湖北 武汉, 430033; 3. 中国人民解放军第 91860 部队, 上海, 200940)

为了提高高速辅助舰船反潜能力, 针对该类舰船的特点, 提出了结构简单且适用于辅助舰船橡胶弹性发射器的基本结构方案。在此基础上运用弹性体弹性本构模型等理论建立了该发射器水面发射鱼雷的内弹道数学模型, 进行了发射过程仿真, 仿真结果表明, 使用橡胶弹性发射器水面发射轻型鱼雷在原理上具备可行性。

鱼雷; 内弹道; 弹性发射器; 橡胶

0 引言

辅助舰艇在海军舰艇中一直担负后勤保障等作战支援任务, 在海战中是敌潜艇主要的攻击目标之一, 其自身不具备反潜作战能力。为了改变这种现状, 瑞典等国在其辅助舰船上装备了重力式鱼雷发射器[1], 从而使辅助舰船对潜艇具备了一定的反击能力。重力式发射器(见图1)主要利用鱼雷自身的重力脱离发射器, 其最大优点是结构简单, 可把鱼雷发射箱与储运箱做成一体, 以模块化的方式在辅助舰船上安装与使用。重力式发射的缺点是鱼雷获得的出管(离箱)速度较低, 鱼雷离开舰船后很可能落入舰艇周围的水流中, 对鱼雷入水姿态以及后续的初始航行状态产生影响, 因此, 这种发射方式目前仅适用于低速航行的辅助舰船。

图1 重力发射装置示意图(单位: mm)

高速辅助舰船发射反潜鱼雷的方法也可借鉴战斗舰艇传统的发射方式, 如火药发射和压缩空气发射[2]。压缩空气发射装置被广泛应用于战斗舰艇上, 该装置以高压空气为能量发射鱼雷。该装置缺点是系统较复杂, 对舰艇配套设备如空气系统等要求较高。当配套设备故障时则可能导致鱼雷不能正常发射。火药发射是利用火药燃烧产生的燃气作为发射鱼雷的动力。该装置较压缩空气发射器简单, 但火药燃烧产生高温高压的燃气对发射管体强度提出较高要求, 而且发射后在发射管内部残留的火药渣滓给后续的操作及装置的维护保养带来很多不便。

为了给高速辅助舰船配备结构简单、战时能快速安装使用且能满足鱼雷发射要求的装置, 经过分析与研究, 橡胶弹性发射器成为可能方案之一。在此介绍该发射器的基本结构组成与工作原理, 并建立发射过程的鱼雷弹道数学建模与仿真, 对该装置的原理可行性进行初步分析与论证。

1 基本结构及工作原理

橡胶弹性发射器主要由发射管、橡胶带、制动器和承载板等组成(见图2)。其中2条橡胶带分别固定在发射管前端两侧, 管体两侧开有导槽以供发射时承载板的运动通过, 管体后段安装有制动器用于固定橡胶带拉伸后的状态。

图2 橡胶发射器示意图

该发射器的工作原理为: 发射前先通过外力(人力或液压等)分别将发射管左右两侧的拉伸并通过制动器固定其拉伸状态, 将鱼雷从发射管后部装入(如鱼雷已在发射管内则不需该步骤), 再将承载板与橡胶发射带后部固联好。发射时, 制动器松开对橡胶带的制动, 橡胶带带动承载板在发射管两侧导槽内运动, 由承载板推动鱼雷出管。

2 发射过程模型

2.1 橡胶带原始弹力计算模型

橡胶发射鱼雷过程建模的关键是求取橡胶带的弹力。而弹力的确定则通过求取其应力来实现。

假设橡胶是各向同性不可压缩的超弹性体, 因此有橡胶的柯西应力张量[3]

的不变量和主伸长率之间的关系为

由式(1)和式(3)推导有

由式(4)可导出单轴拉伸的应力表达式为

1) 高斯链网络模型

高斯链网络模型的应力能量密度函数为

在发射过程中, 橡胶带属于单轴拉伸, 经推导有单轴拉伸的高斯链应力模型为

2) Arruda Boyce模型

Arruda Boyce模型是目前普遍认为描述橡胶材料超弹性本构行为最成功的非高斯链链网络模型。其应变能量函数为

经推导有单轴拉伸的Arruda Boyce应力模型

2.2 考虑老化影响的橡胶弹力计算模型

橡胶材料作为种高分子材料, 其通病是易老化即在使用及存储过程中, 其性能会随着时间的增加而逐渐下降, 甚至丧失使用性能[6]。在考虑橡胶带老化对发射弹力的影响时作如下假设: 橡胶带使用前处自然状态(即无拉伸), 常温(25℃)密封于发射箱两侧, 在需要发射时才将橡胶带解封并进行拉伸, 为发射做准备。这种情况下橡胶带的老化可认为是在常温条件下的自然老化。此时橡胶带拉伸应力模型为

2.3 鱼雷运动模型

依据发射过程中鱼雷受力拉伸情况, 建立鱼雷管内并建立数学模型

3 橡胶带参数估算

橡胶发射器橡胶带的参数估算是在给定鱼雷出管速度等条件下, 估算所需橡胶弹性能量, 进而求取橡胶带的初始面积与长度, 为后续的仿真计算提供依据。

由能量守恒定律可知, 发射过程中橡胶推动鱼雷所做的功应等于发射前橡胶带所蓄能量。故有

以高斯链模型计算发射前橡胶带应蓄能量, 则经推导有

4 发射过程仿真分析

表1 橡胶带结构参数

4.1 不考虑老化条件下两种方案仿真结果

方案A仿真结果见图3~图5, 方案B仿真结果见图6~图8, 方案A和方案B对比结果(Arruda Boyce模型)见图9~图11。

图3 方案A鱼雷管内位移曲线

图4 方案A鱼雷管内运动速度曲线

图5 方案A鱼雷管内加速度曲线

图6 方案B鱼雷管内位移曲线

图7 方案B鱼雷管内运动速度曲线

图8 方案B鱼雷管内加速度曲线

图9 对比方案A, B鱼雷管内位移曲线

图10 对比方案A, B鱼雷管内运动速度曲线

4.2 考虑橡胶带老化情况的仿真结果

图11 对比方案A,B鱼雷管内加速度曲线

图12 橡胶带老化系数随时间变化曲线

橡胶带保存3年后的仿真结果(采用方案B的橡胶带, 使用Arruda Boyce计算模型)见图13~图15。

图13 橡胶带保存3 y后鱼雷管内位移曲线

图14 橡胶带保存3 y后鱼雷管内运动速度曲线

图15 橡胶带保存3 y后鱼雷管内加速度曲线

4.3 仿真结果分析

从仿真结果可以看出:

1) 方案A在发射过程中(见图3~图5), 对于高斯链模型, 鱼雷的出管速度达到13.3 m/s, 出管时间0.31 s, 最大加速8.7 g。而对于Arruda Boyce模型, 鱼雷的出管速度达到13.7 m/s, 出管时间0.29 s, 最大加速9.5 g, 满足水面舰艇鱼雷发射出管速度要求。

2) 方案B在发射过程中(见图6~图8), 对于高斯链模型, 鱼雷的出管速度达到14.2 m/s, 出管时间0.32 s, 最大加速6.5 g。而对于Arruda Boyce模型, 鱼雷的出管速度达到15.1 m/s, 出管时间0.3 s, 最大加速8.2 g。满足水面舰艇鱼雷发射出管速度要求。

3) 从加速度仿真结果来看, 橡胶弹性发射的最大加速度均出现在发射开始点。此时橡胶带拉伸最大, 因而鱼雷的作用力也最大。

5) 从方案A与方案B的仿真结果对比来看, 方案B发射鱼雷出管速度大于方案A约1.4 m/s, 而加速度比方案A小1.3 g, 且其橡胶带的体积仅为方案A 的68%。因此适当增大橡胶带的最大伸长率, 可提高其蓄能密度, 在发射中橡胶带弹力对鱼雷做功距离加大, 对鱼雷发射弹道指标有利。

6) 橡胶带老化对发射过程是有影响的。这主要是因为橡胶老化引起其弹力衰减。在自然老化条件下, 仿真中的橡胶带3 y后的弹力可减少到其老化前的86%(见图12)。橡胶弹力衰减导致鱼雷在管内运动时间变长(见图13), 鱼雷出管速度由原15.1 m/s下降到14.1 m/s(见图14), 鱼雷最大加速度相应减小(见图15), 但仍满足水面舰艇鱼雷发射弹道要求。

5 结束语

在橡胶弹性发射器基本结构方案基础上, 运用高斯链以及Arruda Boyce这两种典型的橡胶弹力模型, 建立了橡胶弹性发射过程的数学模型, 并进行了仿真计算。通过分析可知, 使用橡胶弹性水面发射鱼雷, 在原理上是可行性的, 其鱼雷出管弹道指标满足舰艇发射要求。

在仿真中还对橡胶带常温自然老化的情况下进行了研究, 从仿真结果来看, 橡胶带3 y常温自然老化对发射有影响, 但影响不大, 仍可满足鱼雷发射的弹道要求。为了降低橡胶老化对发射的影响, 在将来实际使用中, 可考虑将橡胶带单独密封存放, 在需要进行发射前, 再将橡胶带安装上发射器。此外还可根据橡胶带实际老化情况定期更换新橡胶带以保证发射的可靠性。

应该认识到橡胶弹性发射器在其投入实际使用前还有很多研究工作需要开展, 如裸露在海洋环境条件下橡胶材料老化、高温或低温条件对橡胶材料力学性能影响, 连续多次发射后的对橡胶材料应力松弛以及疲劳损伤的影响等等, 这些都需要在今后加以深入的研究和探讨。

[1] 练永庆, 王树宗. 鱼雷发射装置设计原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012: 65~66.

[2] 王树宗, 王一中. 海军舰艇武器装备概论[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1995: 182~233.

[3] 李晓芳, 杨晓翔. 橡胶材料的超弹性本构模型[J]. 弹性体, 2005, 15(1): 50-58.

[4] 特雷劳尔. 橡胶弹性物理学[M]. 王梦蛟, 译. 第3版北京: 化学工业出版社, 1982: 72-80.

[5] 罗文波,谭江华．橡胶弹性材料的一种混合本构模型[J]．固体力学学报, 2008, 29(3): 276-281.Luo Wen-bo, Tan Jiang-hua. A Hybrid Hyperelastic Constitutive Model of Rubber Materials[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2008, 29(3): 276-281.

[6] 张凯, 黄渝鸿. 橡胶材料加速老化试验及其寿命预测方法[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2004, 2(6): 44-48.

[7] 李咏今. 利用时间外延法预测硫化胶常温老化应力松弛和永久变形性能的研究[J]. 橡胶工业, 2002(10): 615-622.

(责任编辑: 许 妍)

Simulation of Interior Trajectory of Torpedo Launched from Elastic Rubber Launcher

LI Zong-ji,REN Lei,SUN Yu-song, LIANG Neng-gui

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Equipment Department of Economic Management, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. 91860thUnit, The People′s Liberation Army of China, Shanghai 200940, China)

To improve the antisubmarine ability of a high speed auxiliary ship, two basic structure schemes of elastic rubber launcher for a torpedo are put forward according to the characteristics of the auxiliary ship. Based on the schemes, a mathematic model of torpedo interior trajectory is built by using the theories such as constitutive model of elastic material, and simulation of launching process is conducted. Simulation result shows that it is theoretically applicable for the elastic rubber launcher to launch lightweight torpedoes on the water.

torpedo; interior trajectory; elastic launcher; rubber

TJ635

A

1673-1948(2014)05-0390-06

2014-01-16;

2014-02-24.

李宗吉(1974-), 男, 博士, 研究方向为鱼雷动力与发射技术.