空投UUV入水冲击仿真研究

章　杰，张云海，赵加鹏

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌　443003)



空投UUV入水冲击仿真研究

章杰，张云海，赵加鹏

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003)

摘要：空投布放的水下航行器在入水冲击初期会遭受巨大的冲击载荷，可能对壳体结构和携带的仪器设备造成很大的危害。掌握UUV在不同工况入水时所受冲击力的情况，对研究空投UUV壳体强度设计和安全入水方法都有着非常重要的作用。建立了UUV入水有限元仿真模型，并利用ANSYS/LS-DYNA对UUV在多种工况下入水时所受冲击力的情况进行计算。最后通过分析仿真结果数据得到几点有益的结论，为空投UUV安全入水提供有价值的参考。

关键词：入水冲击；空投UUV；安全入水

本文引用格式：章杰，张云海，赵加鹏.空投UUV入水冲击仿真研究[J].兵器装备工程学报，2016(1):70-73.

Citation format:ZHANG Jie, ZHANG Yun-hai, ZHAO Jia-peng.Numerical Simulation of Water-Entry Impact for Air-Launched UUV[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):70-73.

1模型建立

LS-DYNA以拉格朗日算法为主，并兼具ALE与Euler算法，对于结构及固体的分析主要采用拉格朗日法。当采用拉格朗日法时，节点固定在分析对象上，通过连接有关节点形成单元，再由单元形成网格。当分析对象变形时，节点随着材料的移动而移动，同时单元也随之变形。因此，拉格朗日计算的是质量恒定的单元的移动。ANSYS/LS-DYNA中所用的单元大多数为一阶单元。由于程序采用显式积分法，适合于使用细密网格，因而采用低精度单元。在采用低精度单元和细密网格的基础上，经过近似处理，可以使系统的质量矩阵不包含耦合项，从而在进行显式时间积分时无需进行矩阵求逆，只需求解关于每个自由度的独立一元一次方程，使得计算效率大大提高。

1.1有限元模型建立

由于在ANSYS/LS-DYNA中没有固定的单位制，所以首先确定统一的单位制，在进行UUV入水冲击仿真计算时，采用cm-g-μs单位制。

将UUV的三维模型导入到ANSYS/LS-DYNA中进行有限元的前处理，为了减少网格数量，节约计算时间，导入UUV的三维模型进行有限元建模时，取UUV的二分之一模型，将UUV的三维模型进行有限元网格划分，UUV有限元模型图如图1所示。

图1　UUV的有限元模型

UUV空投入水受到冲击载荷的作用主要发生在入水瞬间，通常在头部沾湿后的数毫秒内，故可以不考虑海浪、海流的影响。入水海面区域近似为平面。在ANSYS/LS-DYNA中建立水域和空气域的三维模型，并进行网格划分。空气域的模型尺寸为3 000 mm×3 000 mm×500 mm，划分网格后共有18 000个节点；水域的模型尺寸为3 000 mm×3 000 mm×7 000 mm；划分网格后共有144 000个节点。水下航行器60°入水有限元模型如图2所示。

图2　水下航行器60°入水有限元模型

其他入水角度的有限元模型，不再一一列举。

1.2材料模型

选择网格划分需要的显式单元，本文中选择的单元类型是SOLID164单元。然后定义UUV、水、空气的材料模型，本文中UUV的材料为铝合金，选择*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型作为UUV的材料模型，流体材料水和空气选择空材料模型*MAT_NULL来描述，即用本构模型和状态方程来同时描述流体材料，水的状态方程采用Gruneisen状态方程来描述：

式中：P表示压力；V表示相对体积；E表示单位体积内能。计算过程中所使用的数据如表1所示。

表1　水的状态方程参数

空气材料状态方程采用LINER-POLY- NOMIAL线性状态方程来描述：

其中：P表示压力；V表示相对体积；E表示单位体积内能。

1.3边界条件及初始条件

当建立水域和空气域时，往往需要一个无限域来进行模拟。然而，软件仿真解决问题又是有限的。为了限制模型的规模，可以使用非反射边界条件来表示无限域(这也是之前选择SOLID单元的原因)。非反射边界可以组织应力波从模型的边界反射。定义的过程为：首先创建物体外表面节点的组元，然后施加非反射约束，从而可以指定沿特定的组元是否消除膨胀波与剪切波的反射。在本次仿真中，选择水域和空气的四周以及底面上的节点组作为非反射边界条件。另外，通过定义UUV外表面的节点作为另一个非反射约束，并通过修改K文件，从而建立两个PART，如图3所示。

图3　非反射边界组元

2计算结果与分析

本研究开展了入水速度20 ～100 m/s，入水角度60～90°不同组合下的入水冲击载荷计算，得到了轴向冲击载荷与法向冲击载荷随时间的变化趋势。根据自由落体原理可知UUV从100m高度下降到水面时的速度为44.27m/s，因而入水速度选择为20 ～100 m/s是适合大多数工况的。计算结果如图4～图11所示。

图4　V=20 m/s时法向冲击载荷变化曲线

图5　V=20 m/s时轴向冲击载荷变化曲线

图6　V=40 m/s时法向冲击载荷变化曲线

图7　V=40 m/s时轴向冲击载荷变化曲线

图8　V=60 m/s时法向冲击载荷变化曲线

图9　V=60 m/s时轴向冲击载荷变化曲线

图10　V=100 m/s时法向冲击载荷变化曲线

图11　V=100 m/s时轴向冲击载荷变化曲线

不同入水速度、角度时法向与轴向载荷峰值的汇总如表2所示。

表2　各种入水工况下法向与轴向载荷峰值

3结论

根据以上计算结果可以得出：

1) 入水冲击力的数量级是相当大的，其所受冲击力的峰值出现在UUV和水面接触后的很短一段时间内(ms量级)，然后很快就会衰减下去。UUV斜入水时载荷峰值到达时间比垂直入水载荷峰值到达时间略晚。

2) 轴向载荷在达到最大峰值后保持在一个相对较小水平；法向载荷在达到最大峰值后迅速减小，并且在小值附近振荡；轴向冲击载荷比法向冲击载荷大的多，UUV受到的冲击载荷主要为轴向载荷。因此，在设计UUV壳体时有必要加强前端的强度或在UUV头部加装缓冲头帽，提高耐冲击的性能，以确保入水时的安全性[9-10]。

3) 同一入水速度下，轴向载荷随着入水角度的增大而增大，法向载荷随着入水角度的增大而减小。当UUV以90°角入水时轴向载荷相当大，法向载荷基本可以忽略，垂直入水是最危险入水方式，应当避免。通常为了得到较好的操纵性和稳定性，入水角选择50°～70°。

4) 同一入水角度下，轴向载荷、法向载荷均随着入水速度的增大而增大。因此，UUV入水前要避免过高的速度，对于空投UUV等高速的UUV在入水前必须采取适当的减速和保护措施。

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(责任编辑周江川)

【装备理论与装备技术】

Numerical Simulation of Water-Entry Impact for Air-Launched UUV

ZHANG Jie, ZHANG Yun-hai, ZHAO Jia-peng

(The No.710thResearch Institute, China Shipbuilding Industrial Cooperation, Yichang 443003, China)

Abstract:There is a strongly impact on the air-launched unmanned underwater vehicle during it is entering the water. The impact is harmful to both the shell strength and the apparatus. Therefore, it is very important to master the regularity of impact for the study of the shell strength design and the safety water-entry method of UUV. The water-entry impacting models of air-launched UUV were established, and the impact forces of water-entry about the UUV were calculated with different water-entry angles and different velocities by ANSYS/LS-DYNA. Finally, the emulation data were analyzed to form some conclusions which provide useful reference for safety water-entry of air-launched UUV.

Key words:water-entry impact; air-launched UUV; safety water-entry

文章编号：1006-0707(2016)01-0070-04

中图分类号：TP24；TJ8

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.017

作者简介：章杰(1989—),男,硕士,主要从事海洋工程研究。

收稿日期：2015-06-02；修回日期：2015-06-25