____________________________________________________________________________________________________________________________________
引用格式：李四超，苏杭，赵铮.舷外发射水密隔膜破片散布范围分析[J].兵器装备工程学报，2017(7):74-77.Citation：format:LI Sichao, SU Hang, ZHAO Zheng.Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):74-77.
____________________________________________________________________________________________________________________________________
作者简介：李四超(1977—)，男，工程师，主要从事导弹发射技术研究。
____________________________________________________________________________________________________________________________________
舷外发射水密隔膜破片散布范围分析
摘要：基于ANSYS/LS-DYNA的流固耦合计算方法，对水下舷外发射装置建立了有限元模型，计算了水密隔膜在导弹(鱼雷)发射过程中的破裂过程，分析了水压、弹速和艇速对隔膜破片散布范围的影响，结果表明：隔膜破片在发射过程中不会与相邻单元发生干涉。
关键词：水下发射装置；水密隔膜；散布；数值模拟
中图分类号：TJ63+5 文献标识码：A 文章编号：2096-2304(2017)07-0074-04
Dispersion Analysis on Watertight Diaphragm Fragment During Outboard Launching
Abstract：Based on ANSYS/LS-DYNA fluid-structure coupling calculation method, the finite element model of outboard underwater launcher fragment is established to simulate the rupture process of watertight diaphragm and to analyze the influence of water pressure, bullet velocity and submarine velocity on fragment range. The results show that the fragment of watertight diaphragm will not cause interference on adjacent units.
Key words：underwater launcher; watertight diaphragm; dispersion; numerical simulation
随着电子计算机等高新技术的发展和在潜艇上的应用，使得现代潜艇不仅具有良好的隐蔽性、机动性，而且自持力、续航力大大增加，对导弹等武器系统的性能要求也不断提高[1]。现今世界各国海军所拥有的潜艇种类繁多，其所配置的发射装置也各不相同。水压平衡式鱼雷发射装置通过气动发射、采用液压平衡原理，能够大深度发射鱼雷[2]。水压平衡式发射装置可以采用冷发射技术，鱼雷在滑块推动下沿发射筒内的滑轨加速，撞破水密隔膜后出筒[3]。针对水下发射过程的研究，李志华通过建立鱼雷运动模型，并通过鱼雷在出筒过程的运动状态，以此校核鱼雷发射时，潜艇的安全性[4]；李亚男通过建立小型运载器的运动方程，并运用Matlab软件计算其内弹道过程，得到其出筒速度[5]；徐勤超通过建立鱼雷运动方程组，对舰船的振荡运动在鱼雷发射入水的影响进行了分析[6]。
上述研究没有考虑发射筒的具体结构及多联装的相互影响，本文通过对弦外发射导弹(鱼雷)出筒过程进行数值仿真分析，计算水密隔膜破片的飞散速度和飞散直径，研究水密隔膜破片对邻筒的影响。
1 计算模型
本文的计算模型主要由水域、导弹发射筒、水密隔膜和导弹组成，如图1所示。导弹位于发射筒中，发射筒前端为水密隔膜。发射筒内为淡水，筒外为海水。发射筒及导弹的材料为钢，水密隔膜材料为有机玻璃。
图1 计算模型示意图
2 有限元分析模型
流固耦合计算需要考虑流场和导弹运动之间的相互作用，计算量大，计算速度慢[7]，为了将求解时间控制在可以接受的范围内，需要对计算模型进行简化，提高计算速度。本系统的有限元模型由水、导弹发射筒、水密隔膜和导弹组成，计算域网格如图2所示。
图2 计算域网格
其中水介质采用欧拉网格，采用GRUNEISEN状态方程[8]；导弹和发射筒有限元模型采用拉格朗日网格，考虑到其变形很小，采用刚性材料[9]；水密隔膜有限元模型采用拉格朗日网格，材料为线弹性材料，水密隔膜材料失效时所受的最大主应力为35 MPa。发射装置与水域间采用流固耦合算法。计算中采用的水介质和发射装置的材料及状态方程参数如表1、表2，未给出的参数取 LS-DYNA软件和工程实践中的默认值。
表1 不同模型的材料参数
表2 水介质的材料参数
为节约求解时间，水域建模范围略大于发射筒，通过透射边界条件模拟无限水域[10]，通过施加不同的静水压力模拟水深[11]。
3 水密隔膜破片运动过程分析
采用基于LS-DYNA 软件的多物质 ALE 算法[12]，对导弹发射过程进行了三维有限元模拟，分析了不同水深、弹速和艇速对水密隔膜破片散布程度的影响。
3.1 不同水深时的破片散布分析
图3为在发射过程中水密隔膜不同时刻下(0.13 s、0.16 s、0.20 s、0.23 s)的状态变化(左视图)。随着时间的增加，水密隔膜材料达到失效应力发生破裂，破片翻转飞散。
图3 水密隔膜在不同状态下的状态变化
图4反映了不同水深，弹速为10 m/s条件下，导弹出筒水密隔膜破片的运动状态(上为主视图，下为左视图)。由图4可见大部分破片的主要运动状态为翻转运动，部分破片有轴向的前进运动。为了研究破片对邻筒的影响，本文只分析破片的径向运动，不分析破片的轴向运动。
图5为不同水深下破片单元的径向速度曲线(4个单元在水密隔膜周向相隔一定距离，下同)。从曲线得出以下结论：最初的振荡对应水密隔膜被逐渐撞开的过程，随后破片速度逐渐增大，破片也逐渐翻转张开，最后破片速度逐渐接近于0，基本没有径向位移。通过提取破片的径向位移，发现在破片速度为0时，破片的径向位移约为300 mm。由此可知，随着水深的增加，破片的散布直径约为600 mm，散布直径基本不变。
3.2 不同弹速时的破片散布分析
图6反映了在150 m水深条件下，不同导弹出筒速度时导弹出筒破片的运动状态。可以看到随着弹速增加，水密隔膜在与发射筒接触的部分有较明显的单元失效，破片明显增多。
图7为不同弹速下4个破片单元的径向速度曲线。可见，弹速增加时，破片的飞散范围并没有显著增加。综合各破片单元径向位移得出散布直径为600 mm。
3.3 不同艇速时的破片散布分析
图8为在不同艇速，150 m水深，弹速10 m/s条件下，导弹出筒时的破片运动状态。可以看出，在有艇速的情况下，破片数量更多，破片单元更小；艇速越大，在贴近发射筒的水密隔膜单元失效更多，破片也更多。
由图8可看出，大部分破片单元径向散布可以用散布直径表示。图9为不同艇速下破片单元径向速度曲线。可见，在有艇速情况下，径向速度曲线振荡加剧，但速度趋势依旧减小为0，综合各破片单元径向位移后得到散布直径为600 mm。
图4 不同水深的破片散布程度
图5 不同水深的破片径向速度曲线
图6 不同弹速时的破片散布程度
图7 不同弹速时的破片径向速度曲线
图8 不同艇速时的破片状态
图9 不同艇速时的破片径向速度曲线
4 结论
本文基于ANSYS/LS-DYNA程序的流固耦合算法模拟导弹在水压平衡式发射装置的弦外发射出筒过程，得到了不同条件下水密隔膜破片的状态。通过对破片运动状态的观察分析，可以看出，在不同给定条件下，破片的径向散布直径为600 mm，不会影响临近发射单元。本文工作在一定程度上检验了发射装置的正确性，为下一步的发射系统优化及技术设计提供了理论基础。
参考文献：
[1] 李克孚，乔汝椿.国外鱼雷发射装置的发展[J].导弹技术,1998,3(6):1-9.
[2] 魏勇,逄洪照,赵祚德.水压平衡式鱼雷发射装置气缸活塞行程对鱼雷内弹道的影响[J].火力与指挥控制,2013(11):137-140.
[3] 练永庆,郭煜,张孝芳.外置蓄能式鱼雷发射装置发射过程流场仿真[J].弹道学报,2015(3):79-83.
[4] 李志华,阎勇,吴吉伟.鱼雷发射装置安全性仿真分析[J].四川兵工学报,2011,32(4):7-8.
[5] 李亚男,叶慧娟,张西勇,等.水压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器内弹道仿真[J].兵器装备工程学报,2016,37(2):41-44.
[6] 徐勤超,练永庆,王树宗.舰艇运动对鱼雷发射入水参数影响[J].导弹技术,2010,18(4):303-307.
[7] 浦锡锋,王仲琦,白春华,等.多物质流体动力学方法与结构动力学方法结合的流固耦合计算技术[J].计算物理,2010,27(6):833-839.
[8] 梁化鹏,沈培辉,薛建锋,等.可变形小口径枪弹的侵彻特性研究[J].兵器装备工程学报,2016,37(12):64-67.
[9] 鲁忠宝,南长江.导弹入水战斗部动态响应仿真分析[J].导弹技术,2006,14(4):36-39.
[10]钟冬望,黄小武,殷秀红,等.水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究[J].爆破,2015,32(4):17-20.
[11]ZHANG Z,SANG J,ZHANG Y.Inflation analyses of a circular elastomeric membrane with hydrostatic pressure[J].Theoretical and Applied Mechanics Letters,2012,2(6):15-18.
[12]王飞,朱立新,顾文彬,等.基于ALE算法的空气冲击波绕流数值模拟研究[J].工程爆破,2002,8(2):13-16.