基于LS-DYNA的弹体入水动力学仿真研究

设计与应用计算机测量与控制.2010.18(6) Com puter Measurement &C ontrol#1401#中华测控网chinamca.co m收稿日期:2009-12-08; 修回日期:2010-01-20。

作者简介:王生武(1966-),男,博士研究生,工程师,主要从事系统可靠性与故障诊断技术以及系统结构动态响应分析方向的研究。

石秀华(1945-),女,山东省临沂市人,教授,博士生导师,主要从事系统可靠性与故障诊断技术以及系统结构动态响应分析方向的研究。

文章编号:1671-4598(2010)06-1401-03 中图分类号:T P39119文献标识码:A基于ANSYS/LS -DYNA 的加筋板入水冲击仿真王生武1,石秀华1,王永虎2,魏照宇1(11西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;21中国民航飞行学院,四川广汉 618307)摘要:采用ANSYS/LS -DYNA 有限元分析软件数值模拟入水冲击问题,重点研究平板类结构体入水冲击数值仿真和冲击荷载作用下的结构动力响应;首先采用ANSYS 前处理器建立平板和十字加筋板入水冲击数值模型,然后通过LS-DYNA 求解器数值计算入水冲击的动力响应,并分析比较了各个模型计算得到的位移、等效应力、压力等变量变化,最后得出以下结论,加筋板具有吸收更多入水冲击能量的作用,且耐撞性更强,结构更偏于安全。

关键词:加筋板;入水;冲击;动态响应;仿真Simulation of Stiffened -plate Water -entry ImpactBased on ANSYS /LS -DYNAWang Shengw u 1,Shi Xiuhua 1,Wang Yo ng hu 2,Wei Zhaoyu1(11College o f M arine,N orthw estern Po lyt echnical U niv ersity ,X i .an 710072,chian;21Civil A viatio n F lig ht U niver sity o f China,Guang han 618307,China)Abstract:Th e process of flat plates impacting w ater is analyzed based on ANSYS/LS -DYNA softw are and especially the dynamic re -s pon ses u nder the w ater-en try im pact load are mainly discus sed in th is paper.Firstly,both m od els of plate are cr eated by the preproces sor ANS YS,in cludin g the flat plate model and the stiffened-plate m odel.Secondly,dynamic responses of the models under th e w ater-entry im pact loads ar e calculated by the nonlinear finite elemen t program LS-DYNA.Th e resultant results an d contrast of some variables,i. e.,press ure,equ ivalent stres s and acceleration are given.Fin ally the conclusions are that the stiffened-plate can effectively disperse the shock -w ave energy of th e impact and also has better capacity of cras hw or th ines s.Key words :s tiffened-plate;water entry;im pact;dynamic res ponse;simulation0 引言结构体入水冲击问题属于流固耦合问题[1],例如鱼雷、水雷、深弹等空投入水,飞机海面迫降,返回舱水面回收等。

基于LS-DYNA的子弹侵彻靶板仿真分析
1、模型建立
利用LS-DYNA分析软件，模拟子弹侵彻靶板问题。

已知条件：根据56式7.62子弹建立模型，钢铅材质；靶板厚度6mm，PE板；靶前速度780m/s。

根据以上条件，模拟侵彻过程中，靶板应力、变形及子弹靶后速度及加速度等重要的参数变化情况。

图1 子弹侵彻靶板三维模型及网格模型
2、靶板应力云图
图2 子弹刚接触靶板
图3 子弹侵入靶板
图4 子弹穿过出靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板应力逐步变小，从子弹刚接触时的1013Mpa，到子弹侵入中部时的548.7Mpa，最终子弹穿过时的463.7Mpa，均大于靶板许用应力，故造成靶板被穿透且变形。

3、靶板变形云图
图5 子弹刚接触靶板
图6 子弹侵入靶板
图7 子弹穿过靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板变形逐步变大，从子弹刚接触时的1.85mm，到子弹侵入中部时的8.76mm，最终子弹穿过时的16.14mm，故靶板被穿透后的弹孔变形最大为16.14mm。

4、子弹参数变化
图8 子弹速度变化
图9 子弹加速度变化
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，子弹速度逐步减小，加速度由大变小。

通过坐标转换，其中子弹入靶速度780m/s，出靶速度750m/s。

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟康德;严平【摘要】基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线.研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程.得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910～1115 m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2014(034)005【总页数】5页(P534-538)【关键词】流体力学;运动特性;ALE方法;高速破片;侵彻能力;水【作者】康德;严平【作者单位】海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033;海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】O351.2水下爆炸对目标的破坏除了冲击波作用，高速破片的作用也不可忽视。

爆炸产生的破片初始速度可以达到1 000m／s以上，具有很强的侵彻破坏能力［1］。

破片对典型水下目标结构的毁伤效果主要取决于破片在水中的运动特性和侵彻能力。

研究高速破片在水中的运动特性对于典型水下目标的抗破片侵彻能力设计具有重要意义。

水下物体的高速运动是一个复杂的多相流运动，涉及到大变形、高应变率。

由于理论分析的复杂性和实验研究的高成本，数值模拟以其经济性与高效性日益成为研究的重要手段。

本文中利用ANSYS／LS－DYNA有限元程序对速度在1 000～2 500m／s的立方体破片在水介质中的运动进行了数值模拟，得到了破片的速度衰减曲线，冲击波传播规律。

分析了破片墩粗变形规律及其对侵彻阻力的影响，得到了高速破片的侵彻能力随速度的变化规律。

其计算结果可为水中目标易损性分析提供有益的参考和依据。

基于Ls-Dyna软件的水下弹的外弹道仿真
徐健;杨臻;李强
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2016(041)003
【摘要】针对要计算出水中弹道数据，基于Ls-Dyna软件建立了弹－水耦合模型并进行了仿真，水采用MAT_NULL模型和Gruneisen状态方程，弹采用弹塑性材料即MAT_Plastic_Kinematic模型，并在水-弹之间添加控制耦合的关键字，建立了完整的模型，定义了计算模型。

数值仿真结果表明：水下弹速度下降很快，由于升力因素存在偏航现象，同时在弹后空间形成逐步拉长而且径向扩大的空腔，形成负压阻碍弹丸运动。

【总页数】3页(P5-7)
【作者】徐健;杨臻;李强
【作者单位】中北大学机电工程学院，太原 030051;中北大学机电工程学院，太原 030051;中北大学机电工程学院，太原 030051
【正文语种】中文
【中图分类】TJ411.+2
【相关文献】
1.基于 LS-DYNA 软件的爆索空中弹道仿真研究 [J], 万业廷;高建光
2.基于Matlab的某型橡皮动能弹外弹道仿真研究 [J], 朱光涛;马永忠;马志伟;罗忠新
3.基于MATLAB的某一森林灭火弹外弹道仿真与运用 [J], 陈吉潮;王克印;刘耀鹏
4.水下反蛙人火箭弹六自由度弹道仿真 [J], 王金云;王孟军;周晖杰
5.基于一维修正弹外弹道仿真模型的简化方法 [J], 杨莹;李志锋;谢飞;刘佳佳;潘博文
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子弹垂直入水冲击过载数值仿真方法
刘雨;王雨时;闻泉
【期刊名称】《探测与控制学报》
【年(卷),期】2015(000)001
【摘要】针对子弹入水冲击过载影响子弹正常作用的问题，提出了采用ANSYSY/LS-DYNA 软件研究子弹垂直姿态入水冲击的数值仿真方法。

该方法可以反映出子弹的入水过程，得出子弹不同入水速度的冲击过载响应值。

仿真结果表明：在垂直姿态入水过程初期，子弹的入水姿态不会发生明显变化，入水冲击过载峰值与入水速度之间为线性关系，随入水速度的增大而增大。

【总页数】4页(P64-66,71)
【作者】刘雨;王雨时;闻泉
【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094【正文语种】中文
【中图分类】TJ430
【相关文献】
1.着速和着角对水雷入水过载影响的数值仿真分析 [J], 石汉成;蒋培;程锦房
2.水声对抗子弹入水冲击响应仿真 [J], 邦志辉;刘荣忠;郭锐;张俊
3.爆炸冲击过载对随进子弹影响的仿真与分析 [J], 李国邓;王平;薛鑫莹
4.90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性 [J], 黄振贵;王瑞琦;陈志
华;侯宇;罗驭川
5.大型飞机机身垂直入水冲击特性数值研究 [J], 张旭;刘沛清;屈秋林
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基于LS-DYNA的储油平台液体晃荡仿真模拟
基于LS-DYNA的储油平台液体晃荡仿真模拟
胡建祥;曹亦农;高健;王晓喆
【期刊名称】《科协论坛：下半月》
【年(卷),期】2011(000)007
【摘要】利用动力分析软件LS-DYNA对储油导管架平台在波浪载荷下的液体晃荡现象进行了仿真模拟。

分析了储油舱装载率变化及激励频率对计算结果的影响,给出了储油舱动压力变化规律。

算例表明仿真模拟的可行性和有效性,为工程中储油导管架平台的设计提供了参考。

【总页数】2页(P.96-97)
【关键词】导管架储油平台;液体晃荡;结构动压力;波浪载荷;流固耦合
【作者】胡建祥;曹亦农;高健;王晓喆
【作者单位】;
【正文语种】英文
【中图分类】TP39
【相关文献】
1.基于LS-DYNA的储油平台液体晃荡仿真模拟[J], 胡建祥; 曹亦农; 高健; 王晓喆
2.基于LS-DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究 [J], 贾贺; 荣伟; 陈国良
3.基于LS-DYNA的降落伞伞衣织物透气性参数仿真验证 [J], 贾贺; 荣伟; 陈国良
4.基于LS-DYNA的弹体入水动力学仿真研究 [J], 宋盼盼; 赵捍东; 吴建萍
5.基于ANSYS/LS-DYNA的某型训练弹跌落强度流固耦合仿真分析[J], 孙卓;。

基于仿真的某中口径舰炮弹丸入水前冲过载董盛鹏;王雨时;李作华;张志彪;闻泉【摘要】为了为某舰炮弹丸弹底触发引信惯性前冲发火机构对海射击时的动态特性设计和评估提供参考,借助ANSYS/LS-DYNA软件,采用任意拉格朗日-欧拉方法,仿真了该弹丸不同落速、不同落角的入水过程,得到不同落速、落角和是否自转等条件下的弹丸入水前冲过载.落速或落角越大,前冲过载越大、过载峰值宽度越小;小落角入水过程中弹丸姿态不稳定,易发生跳弹,使前冲过载减小,甚至消失,并产生较大径向过载;自转对该弹丸入水前冲过载影响较小,可忽略;落速250 m/s、落角5°时的过载是引信惯性发火机构发火准确性设计要考虑的可信极限弹道环境,前冲过载峰值约为287 g,持续时间约为1 ms.%In order to design and evaluate the fuze's inertial forward firing mechanism of a medium caliber naval shell when shooting at sea,with the help of the commercial software ANSYS/LS-DYNA,using the arbitrary Lagrangian-Eulerian method,the water entry process of projectile with different falling speed and different falling angles was simulated.The water entry set forward overload coefficient of the projectile under the conditions of different falling speed,angle and rotation were got.The greater the falling speed or the falling angle,the greater the set forward overload,the smaller the overload peak width.The attitude of projectile was unstable when it fell into the water with small angle,and ricochet easily occurred.The set forward overload of projectile was reduced or even disappeared,and larger radial overload was produced.Rotation of the projectile entering the water had little effect on set forward overload and it could be neglected.When the overload of fallvelocity was 250 m/s,and the falling angle was 5 degrees,the confidence limiting ballistic environment for inertial firing mechanism of fuze which firing accuracy design must be considered,the peak value of set forward overload was about 287 g,and the duration was about 1 ms.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】8页(P31-38)【关键词】舰炮弹丸;仿真;弹道环境;引信;入水冲击;前冲过载【作者】董盛鹏;王雨时;李作华;张志彪;闻泉【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;辽宁华兴机电有限公司,辽宁锦州 121017;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TJ432.2目前,对于入水问题的研究主要采用试验和数值仿真两种方法。

基 于 ANSYS / LS - D Y N A 的全炮管模型弹丸发射*动力学有限元仿真平台的建立卫社春，白 真，杨 力，陈红星，蒋艳国，张永励( 中国兵器工业第 203 研究所，西安 710065)摘 要: 为提高弹丸发射动力学分析的精度和效率，文中针对炮管和弹丸结构的复杂性和规律性，充分考虑弹丸膛内运动过程中身管对弹丸运动、受力的影响，运用VC + + 对 A N S Y S / LS-D YN A 进行了参数化二次开发，建立了弹丸发射有限元集成平台。

并结合某项目，进行了基于该仿真平台的弹丸发射动力学仿真分析，并与试 验结果取得了较好的一致性。

证明了该参数化平台的有效性。

关键词: A N S Y S /L S -D Y N A ; 全炮管模型; 弹丸; 数值模拟; 集成平台 中图分类号: T J 012． 1 文献标志码: AT h e E s t ab l i s hm e n t of FEA Platform Based on F u ll Bar r e l P r oj ec t i l e P r oc ess U s i n g ANSYS / L S -D Y N AWEI S h ec hun ，B A I Zhen ，YAN Li ，CHEN H o n g x i n ，J I A NG Y a n g u o ，Z HA NG Y o n g li( N o ． 203 Ｒesea r c h I n s t i tut e of Ch i n a Ordnance I ndu s t r i es ，X i ’a n 710065，Ch i n a)A b s t r a c t : I n order to i mp r o v e e ff i c i e n c y and a ccur ac y of l a un c h dyn a m i cs FEA s i mu l a t i o n ，es t a b li s hm e nt of f i n i t e e l e m e nt a n a l y s i s p l a tf o r m wa s p r ese nt e d ，wh i c h was built with the co n s i d e r a t i o n of b a rr e l c h a r ac t e r i s t i c s based on V C + + and A N S Y S / L S -D Y N A ． E xp e r i m e nt a l r e - s u l t ag r ee s w e ll with the num e r i ca l s i mu l a t i o n r es u l t ，wh i c h i nd i ca t es that th i s s i mu l a t i o n method i s s u i t a b l e for ag r ees w e ll s i mu l a t i o n o f p r o j ec t il e s l a un c h p r oce ss ．K e y wo r d s: A N S Y S / L S -D Y N A ; full b a rr e l m o d e l ; p r o j ec t il e; num e r i ca l s i mu l a t i o n ; i nt eg r a t i o n p l a tf o r m性工作，具有可优化、集成的潜力。

基于LS-DYNA的子弹侵彻靶板仿真分析
1、模型建立
利用LS-DYNA分析软件，模拟子弹侵彻靶板问题。

已知条件：根据56式7.62子弹建立模型，钢铅材质；靶板厚度6mm，PE板；靶前速度780m/s。

根据以上条件，模拟侵彻过程中，靶板应力、变形及子弹靶后速度及加速度等重要的参数变化情况。

图1 子弹侵彻靶板三维模型及网格模型
2、靶板应力云图
图2 子弹刚接触靶板
图3 子弹侵入靶板
图4 子弹穿过出靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板应力逐步变小，从子弹刚接触时的1013Mpa，到子弹侵入中部时的548.7Mpa，最终子弹穿过时的463.7Mpa，均大于靶板许用应力，故造成靶板被穿透且变形。

3、靶板变形云图
图5 子弹刚接触靶板
图6 子弹侵入靶板
图7 子弹穿过靶板
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，靶板变形逐步变大，从子弹刚接触时的1.85mm，到子弹侵入中部时的8.76mm，最终子弹穿过时的16.14mm，故靶板被穿透后的弹孔变形最大为16.14mm。

4、子弹参数变化
图8 子弹速度变化
图9 子弹加速度变化
由结果可知，子弹接触靶板到穿过靶板过程中，子弹速度逐步减小，加速度由大变小。

通过坐标转换，其中子弹入靶速度780m/s，出靶速度750m/s。

空投沉底航行体入水和触底过程仿真研究【摘要】本文基于ANSYS/LS_DYNA软件，对某空投沉底水下航行体以大倾斜角高速入水过程以及航行体触底过程进行了仿真研究。

通过对航行体入水和触底时的过载研究，对航行体结构强度设计提供了依据；通过对航行体入水时的姿态研究，对航行体的布放方案设计提供了指导意见，对入水后的水下弹道设计也具有重要的参考意义。

【关键词】空投；航行体；入水；LS-DYNA1.引言现代海战中水下对抗愈演愈烈，为提高水中兵器部署的快捷性和隐蔽性，采用空投部署方式越来越普遍。

采用空投方式部署的水下兵器，特别是沉底的水下兵器，在结构强度上，面临着入水和触底的双重考验。

航行体在入水过程中受到巨大的流体作用力，过大的入水载荷将导致结构破坏和内部零件失灵，且流体载荷会改变航行体的运动状态，对水下弹道带来巨大影响，从而影响部署的位置精度。

航行体触底时，由于海底情况复杂，当遇到硬质海底时，航行体与海底发生剧烈碰撞，并会产生弹跳。

由于流体的存在，水下碰撞有别与空气中的碰撞。

因此，研究空投沉底水下航行体的入水和触底过程对提高航行体系统可靠性具有重要意义。

进行入水冲击和水下碰撞试验耗资巨大操作困难，且试验数据也未必可靠。

随着计算机技术和有限元技术的发展，计算速度和计算精度已经得到极大提高，利用有限元方法对此类的瞬态动力学进行仿真分析，能极大提高研究工作效率节约研究成本缩短研究周期。

当前，诸多专业仿真软件在研究入水、碰撞等复杂的非线性动力学分析中得到了广泛的应用，诸如LS-DYNA、MSC.Dytran、ABQUS 等，大量用户的仿真结果与试验结果一致程度较高[1-3]，对产品的前期设计以及结构改进、优化等提供了重要的指导意见。

在此背景下，本文选用ANSYS/LS-DYNA，对某空投沉底水下航行体的入水和触底过程进行了仿真研究，以得到航行体在不同工况下入水和触底的过载和运动状态，为航行体的结构设计、布放方案提供指导意见。

基于LS-DYNA刚性结构空投入水过程研究发表时间：2010-6-7 杨兴满俞涛将兰芳沈燕霞来源：e-works关键字：CAE技术刚体入水仿真 LS-DYNA信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本结构入水冲击过程复杂，是一个涉及多学科的流固耦合问题，论文运用LS-DYNA程序的欧拉-拉格朗日耦合算法，对刚性结构以不同的入水角度倾斜入水的动态行为进行了仿真计算，模拟出了刚体从接触水面到完全浸入水中空泡闭合的全过程。

1 引言结构空投入水是一个非常复杂的过程，从结构撞水、入水到结构在水下航行，涉及到空气、水和结构三者之间的相互作用，是一个典型的流－固耦合问题，耦合作用发生在两相交界面上。

涉及到流体力学、固体力学、动力学、计算力学等多学科知识。

结构高速入水时，强大的冲击力会使结构变形，甚至使内部结构遭到破坏，结构的运行姿态也会发生变化，从而影响结构的运动轨迹。

结构入水过程的研究对结构的设计以及运动轨迹的控制具有重要的意义。

本文通过运用 LS-DYNA对刚性结构高速入水过程进行仿真分析，模拟出了刚性结构入水初始时刻的运行姿态，为刚性体的结构设计和结构的运动轨迹控制提供指导意见。

2 结构入水过程结构入水过程一般是指从结构头部开始接触水面瞬间到结构完全沾湿为止，结构入水时在水面上下，气、水、结构之间发生强烈的相互作用，伴随着许多物理现象的发生。

这些现象和运动的特性主要决定于结构的特点及入水条件。

结构特点主要包括：结构头部几何形状、细长比、刚度、尾部结构、重量及惯性矩等；入水条件包括：入水速度、入水角、攻角及水面上的大气状况等。

根据结构入水过程中出现的状态和受力情况，结构入水过程被划分为以下几个阶段：2.1 冲击波阶段结构接触到水面是一个极短的过程，时间通常为微秒级。

在这个过程中结构头部与水发生碰撞，在结构头部和水介质中分别产生压缩波，水介质以波动运动形态传递和耗散能量。

结构内同样形成压缩应力波，结构头部沾水面上出现幅值很高的冲击压力脉冲。

第38卷第5期爆炸与冲击V o l.38,N o.5 2018年9月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S S e p t.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0387文章编号:1001-1455(2018)05-1155-10带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析*陈洋1,2,吴亮1,2,曾国伟1,周俊汝1,2(1.武汉科技大学理学院工程力学系,湖北武汉430065;2.中铁港航-武汉科技大学爆破技术研究中心,湖北武汉430065)摘要:针对带环形密闭气囊弹体入水冲击问题,基于L S-D Y N A,运用控制体积法模拟环形密闭气囊,结合流固耦合算法,模拟了某弹体及附带环形密闭气囊入水过程㊂将入水过程分为弹体砰水㊁气囊着水㊁入水减速㊁水中悬停㊁缓慢上浮㊁上浮出水㊁水面漂浮7个主要阶段,对比分析了垂直与倾斜入水过程中不同阶段弹体和气囊的姿态变化㊁减速特性及入水深度等特征的异同㊂从气囊内压变化㊁流体对气囊的作用合力㊁气囊内压与入水速度的关系等方面研究了流体与气囊的相互作用,发现入水过程中气囊内压的变化主要受入水深度㊁运动速度㊁连接绳拉力等因素影响㊂通过计算不同初始内压条件下弹体的入水深度㊁减速时间及连接绳的拉力峰值,发现囊压越高,入水深度越小,减速时间越短,但是相应连接绳对弹体外壳的拉力峰值越大㊂因此,在进行入水回收气囊参数设计时,需要综合考虑缓冲效果㊁减速效果及气囊安全性等因素㊂关键词:密闭气囊;入水冲击;控制体积法;流固耦合;L S-D Y N A中图分类号:O39;V244国标学科代码:1302524文献标志码:A缓冲气囊在现代航空航天软着陆技术㊁重装空投㊁无人机回收等领域中有着广泛的应用,这些领域的研究成果是缓冲气囊参数设计的重要依据㊂陈帅等[1]基于热力学和刚体运动学方程,建立了软着陆气囊缓冲过程的理论模型,并结合数值方法分析得出了气囊参数设计的理论依据;温金鹏等[2]在考虑气囊织布弹性势能的基础上,结合能量守恒与热力学基本方程建立了缓冲气囊的简化理论模型,研究发现织物弹性模量㊁初始充气压力㊁排气口大小等因素对气囊的缓冲效果均有显著的影响;卫剑征等[3]运用显式有限元软件模拟了气囊展开和缓冲过程,验证了数值模拟方法的准确性㊂由此可知,关于各类缓冲气囊软着陆过程中冲击特性的研究一直是研究热点问题[4-7]㊂入水冲击问题是固㊁液㊁气三者相互耦合作用的一种复杂的物理过程[8]㊂1900年,W o r t h i n g t o n[9]利用闪光摄影技术对小球落入不同液体时的飞溅和空泡现象进行了实验观测㊂最初,研究者主要通过实验研究入水冲击过程,了解入水冲击荷载的规律,随后又逐渐提出了小斜升角模型的近似平板理论㊁自相似解法等㊂20世纪中期,各国在航空航天及军事领域开展了大量有关入水冲击的研究,该问题日益受到研究者的关注㊂随着数值方法和计算机技术的发展,复杂三维几何结构入水问题也逐渐得到有效解决[10]㊂近年来,我国学者也对各类结构冲击入水问题中进行了大量的研究工作[11-13]㊂虽然有关各类结构入水冲击问题的研究成果已经比较多,但是目前针对气囊入水冲击问题的研究仍有欠缺㊂由于气囊结构的特殊性,气囊入水冲击过程比气囊着陆缓冲过程或者一般结构的入水冲击过程都要复杂的多㊂例如,在水面对某飞行器进行无动力回收时,在到达水面之前,缓冲气囊迅速充气弹出,飞行器和气囊接触水面缓冲减速,入水之后在浮力的作用下气囊带着飞行器上浮,最终稳定漂浮在水面㊂以上过程中涉及到囊内气体㊁气囊壁㊁囊外液体三者之间复杂的相互作用,对该问题的研究在航空航天㊁救生㊁船舶等领域均有重要的实际意义㊂有鉴于此,本文中基于L S-D Y N A,运用控制体积(c o n t r o l v o l u m e,C V)法模拟环形密闭气囊,结合流固耦合算法,模拟某飞行器回收入水姿态及减速上浮过程,研究气囊的入水冲击特性并*收稿日期:2017-10-26;修回日期:2018-01-02基金项目:国家自然科学基金项目(51004079,51479147,11602178);湖北省自然科学基金项目(2014C F B822)第一作者:陈洋(1994- ),男,硕士研究生;通信作者:吴亮,w u l i a n g w u s t@s i n a.c o m㊂分析囊内气压㊁气囊壁㊁囊外液体压力三者之间的相互作用机理,以期为入水回收气囊参数的优化设计提供依据㊂1 基本理论1.1 C V 法基本原理基于理想气体均压模型,C V 法认为气囊内压由理想气体状态方程决定,囊内各处压力相等[14]㊂C V 法不拘泥于气囊内部流场细节,在气囊壁围成的气囊体积内,通过质量流量和温度两个与时间相关的参数描述气流变化㊂当不需要考虑气囊充气过程外形和流场变化时,C V 法是一种简单高效的方法㊂例如本文中假设,环形密闭气囊内部为理想气体,且其热容恒定;气囊入水过程绝热,内部温度与压强均匀㊂根据以上假设,气囊的控制方程可以写为:p V =n R T p =(k -1)U /V U =n C V ìîíïïïïT (1)式中:p 为气囊内压;V 为气囊体积;n 为囊内气体物质的量;R 为理想气体常数;T 为温度;k =C p /C V 为气体绝热指数,其中C p 和CV 分别为定压和定容热容量;U 为气囊内气体的内能㊂1.2 L S -D Y N A 的流固耦合算法采用L S -D Y N A 进行显式动力分析主要有L a g r a n g e ㊁E u l e r 和A L E3种算法[15]㊂其中L a g r a n g e 方法主要应用于固体的结构分析,这种方法描述的网格与结构是一体的,单元节点即为物质点,网格的变化与结构变形完全一致㊂L a g r a n g e 方法主要优点是能够精确描述结构边界的运动,但是在处理大变形问题时,会由于单元的严重畸变而导致计算终止㊂E u l e r 方法以空间坐标为基础,空间网格与物质相分离,单元节点为空间点,物质可以在网格之间流动㊂这种方法的优点在于网格大小和空间位置不变,计算中具有恒定的计算精度,但难以准确描述物质边界,多用于流体分析中㊂A L E 兼具以上两种方法的优点,首先通过L a g r a n g e 方法处理物质边界的运动变形,然后执行A L E 时步计算,过程如下:(1)保持变形后的物体边界条件,重新划分内部网格,网格的拓扑关系保持不变;(2)将变形网格中的单元变量(密度㊁能量㊁应力张量等)和节点速度矢量输运到重分后的新网格中㊂目前,L S -D Y N A 主要是通过多物质A L E 算法实现流体与结构的耦合,具体参考文献[15],在此不加赘述㊂2 数值模型建立某实验弹上安装有回收气囊,在水面对其进行无动力回收,当弹体接近水面时,气囊迅速充气弹出,保证弹体落水后能够稳定并长时间漂浮,避免落水后击中水下装备,保障实验弹可靠回收㊂展开状态下的气囊与弹体模型如图1所示㊂弹体呈圆柱状,环形气囊展开后体积大约是2.8m 3,气囊壁厚大约是图1气囊与弹体模型F i g .1A i r b a g a n d p r o j e c t i l em o d e l 0.5mm ,气囊与弹体之间通过4根连接绳相连,连接绳直径为1.5c m ㊂模拟计算中将弹体设为刚体,其质量为2523k g ,当以环形气囊中心为原点,以弹体轴线为z 轴时,弹体相对于x ㊁y ㊁z 轴的转动惯量J x c ㊁J yc ㊁J z c 分别为3011㊁3011㊁225k g ㊃m 2㊂气囊壁和连接绳的材料参数见表1,其中ρ为密度,μ为泊松比,E 为弹性模量㊂气囊展开状态下弹体及气囊入水冲击过程,涉及固㊁液㊁气三态耦合,是一类非常复杂的数值计算问题㊂L S -D Y N A 作为世界上著名的显式非线性动力分析软件,在求解各类非线性结构高速碰撞㊁爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题有极大的优势,6511爆 炸 与 冲 击 第38卷同时具有求解热传导㊁流体及流固耦合问题的能力,能够有效模拟真实物理世界的各种复杂问题,在汽车安全设计㊁武器系统设计㊁金属成形㊁跌落仿真等工程领域得到了广泛应用[15]㊂用L S -D Y N A 模拟气囊入水冲击问题是非常合适的㊂表1气囊和连接绳的材料参数T a b l e 1M a t e r i a l p a r a m e t e r s o f t h e a i r b a g a n d c o r r e s p o n d i n g r o pe 材料ρ/(k g ㊃m -3)μE /G P a 材料ρ/(k g ㊃m -3)μE /G P a 气囊8750.20.557连接绳8400.221.92.1 计算模型及边界条件如图2所示,弹体和气囊在重力作用下,从水域上方以一定初速度坠入水中,计算中涉及到弹体㊁气囊㊁连接绳㊁水和空气的相互作用㊂运用L S -D Y N A 进行显式动力学分析时,流体采用A L E 算法,固体采用L a g r a n g e 算法,固体和流体之间的相互作用通过流固耦合关键字定义,气囊与弹体之间通过自动单面接触关键字定义接触,连接绳与气囊之间通过生成节点刚性体的方式连接,与弹体之间采用共节点方式连接㊂有限元建模时,兼顾计算效率和精度,液体和空气采用s o l i d 164单元划分成六面体网格,网格尺寸为0.2m ,气囊材料简化为各向同性的线弹性无弯矩薄膜材料,采用四边形薄膜单元划分网格,网格尺寸为0.1m ㊂连接绳采用柔性索单元划分网格,网格尺寸为0.1m ㊂弹体简化成刚性体,采用s h e l l 单元划分弹体外壳网格,并定义弹体质量特性㊂为模拟无限水域环境,取10mˑ10mˑ10m 水域范围,约束底部竖向自由度,其他水域边界及空气边界均设为无反射边界条件㊂最终生成的有限元模型如图3所示,一共划分了166220个单元㊂图2计算模型示意F i g .2S c h e m a t i c d i a g r a mo f c a l c u l a t i o nm o d e l 图3有限元模型F i g .3F i n i t e e l e m e n tm o d e l 2.2 流体材料和状态方程水和空气均采用MA T _N U L L 材料模型,通过G r ün e i s e n 状态方程描述,其压力为:p =ρ0C 2μ1+(1-γ0/2)μ-a μ2/[]21-(S 1-1)μ-S 2μ2μ+1-S 3μ3(μ+1)éëêêùûúú22+(γ0+a μ)E (2)式中:p 为压力;C 为声速;S 1㊁S 2㊁S 3为系数;γ0和E 分别是G r ün e i s e n 常数和初始内能,均取为默认值零;a 未来一阶体积修正系数;μ=ρ/ρ0-1,ρ和ρ0分别为当前密度和初始密度㊂水和空气参数设置如表2所示[16],其中p c 为截断压力,一般假定为负值;ν为材料动力黏度㊂表2水和空气参数T a b l e 2P a r a m e t e r s o fw a t e r a n da i r材料ρ/(k g ㊃m -3)pc /P a ν/(m P a ㊃s )C /(m ㊃s -1)S 1S 2S 3γ0水998-1000087014802.56-1.990.2270.5空气1.185-100.01843400001.47511 第5期 陈 洋,等:带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析8511爆炸与冲击第38卷3仿真结果3.1流体压力静平衡气囊入水过程中,随着深度增加,静水压力呈线性增加㊂为准确模拟自然环境中在重力作用下水域静压强环境(本文中水域压强㊁气囊内压等均以相对压强进行分析,即超出大气压的超压值),在弹体和气囊入水之前,对水域压力进行静平衡处理㊂在L S-D Y N A中用L O A D_B O D Y关键字模拟重力,结合I N I T I A L_A L E_H Y D R O S T A T I C关键字对静水压强进行初始化㊂如图4所示,流体压强在0.05s以内即达到平衡状态,平衡状态符合静水压强公式[17]:p w=ρg h(3)图4流体压力静平衡状态F i g.4S t a t i c e q u i l i b r i u ms t a t e o f f l u i d p r e s s u r e3.2气囊及弹体的入水过程气囊和弹体的入水过程主要分为弹体砰水㊁气囊着水㊁入水减速㊁水中悬停㊁缓慢上浮㊁上浮出水㊁水面漂浮7个阶段㊂气囊的缓冲作用主要体现在气囊着水阶段;入水减速阶段主要受流体黏滞阻力㊁浮力和重力影响;当弹体到达最低点附近,在一段时间内将处于悬停状态(此阶段速度非常小,可以认为是静止状态);随后,浮力作用使弹体和气囊开始缓慢上浮,并最终稳定漂浮在水面㊂各阶段的特征受初始条件影响较大,取气囊初始囊压为50k P a,弹体初始速度为50m/s,数值模拟弹体从距离水面3m处垂直入射或从距离水面垂直高度为2.14m处斜入射(弹体轴线与水面夹角为45ʎ)的入水过程㊂3.2.1弹体垂直入射如图5所示,在0.06s时刻,弹体头部接触水面,此时为弹体砰水阶段㊂0.09s时,气囊接触水面,在冲击挤压及水压作用下,气囊迅速压缩,起到减速与缓冲作用㊂由于入水速度较快,弹体和气囊周围形成较大范围的空泡现象[13,18-19]㊂入水之后,在浮力和流体黏滞阻力作用下,气囊和弹体持续减速,直到0.81s,速度减为零,气囊和弹体在水中基本处于悬停状态;此时周围的空泡逐渐闭合,水面溅起较高的水花㊂从2.81s开始,气囊和弹体缓慢加速上浮,上浮最大速度小于2m/s,最终在6.72s时浮出并漂浮在水面,整个过程弹体始终保持直立姿态㊂图5中弹体周围空泡的生成㊁发展和闭合过程及形态与文献[18]和文献[19]中弹体垂直入水的实验照片基本一致,但图5中弹体带有气囊,形成的空泡范围更大㊂图6和图7分别为入水过程中弹体头部节点的速度和位移时程曲线,反映出各阶段的速度和位移变化特征㊂由图6~7可知:弹体从入水到浮出水面历时约为6.7s,最大入水深度为6.47m(垂直入射时,零时刻弹体距离水面高度为3m)㊂3.2.2弹体45ʎ角斜入射与图5对应,斜入射时弹体和气囊入水的全过程如图8所示㊂0.06s弹体砰水;0.09s气囊着水;0.14s气囊完全入水;随后一直到0.56s为入水减速阶段;0.56~1.25s为水中悬停阶段,此时弹体头部速度极小,主要是尾部在运动,弹体由倾斜转变成直立姿态;1.25s时刻弹体和气囊开始上浮;2.25s 完全浮出水面㊂图5垂直入射全过程F i g .5P r o c e s s e s o f v e r t i c a l i n c i d e n c e 图6弹体头部节点的竖向速度时程曲线F i g .6V e r t i c a l v e l o c i t y h i s t o r y c u r v e o f p r o j e c t i l e sh e a dn o de 图7弹体头部节点的竖向位移时程曲线F i g .7V e r t i c a l d i s p l a c e m e n t h i s t o r y c u r v e o f p r o j e c t i l e sh e a dn o d e 图8斜入射全过程F i g .8P r o c e s s o f o b l i q u e i n c i d e n c e 斜入射时弹体在水中的姿态与垂直入射有较大差异,以弹体头部节点为基点,图9和图10分别是斜入水过程中弹体的平动速度和平动位移时程曲线,图11和图12分别是弹体的角速度和角位移(顺时针为正,逆时针为负)时程曲线㊂入水后弹体角速度迅速增大到正向峰值,弹体轴线与水平方向的夹角逐渐减小,这是由于入水减速后弹体头部和尾部速度不一致导致的:头部所受阻力较大,并且受到气囊和连接绳的拉力,所以竖向速度衰减较快,而空泡主要靠近尾部,所以尾部所受阻力较小㊂这样,入水之后弹体头部竖向速度将小于尾部,弹体将发生顺时针旋转㊂直到到达最低点,气囊开始上浮,在连接绳9511 第5期 陈 洋,等:带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析拉力作用下,弹体角速度逐渐由正转为负,弹体调整到直立状态,并上浮出水,上浮速度小于1m/s,最终弹体和气囊一起在水面漂浮㊂从入水到浮出水面历时约2.3s,最大入水深度为3.67m(斜入射时,零时刻弹体距离水面高度垂直高度为2.14m)㊂图9弹体头部节点的竖向和水平速度时程曲线F i g.9V e r t i c a l a n dh o r i z o n t a l v e l o c i t y h i s t o r yc u r v e s o f p r o j e c t i l e sh e a dn o de图10弹体头部节点的竖向和水平位移时程曲线F i g.10V e r t i c a l a n dh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t h i s t o r yc u r v e s o f p r o j e c t i l e sh e a dn od e图11弹体角速度时程曲线F i g.11A n g u l a r v e l o c i t y h i s t o r y c u r v e o f p r o j e c t i l e图12弹体角位移时程曲线F i g.12A n g u l a r d i s p l a c e m e n t c u r v e o f p r o j e c t i l e3.3流体与气囊的相互作用在着陆过程中,气囊着陆缓冲系统会发生多次弹跳,受摩擦力㊁气囊结构阻尼和内流阻尼的影响,弹跳速度会逐步降低,着陆动能在与地面碰撞过程中逐步衰减[20]㊂因此,着陆过程中气囊内压会出现多次波动峰值,并且峰值大小逐步衰减㊂气囊入水过程与着陆过程有明显差异:(1)气囊着水阶段是气囊与流体碰撞的流固耦合冲击问题,该过程中流体本身对碰撞有一定的缓冲作用,和气囊与地面碰撞不同,不会出现弹跳现象;(2)流体的黏滞阻力与速度v呈正比,随着弹体和气囊在水中运动速度的减小,阻力逐渐减小;(3)随着入水深度h的增加,流体对气囊的压力逐渐增大;(4)弹体和气囊之间连接绳拉力T也是影响囊压的重要因素㊂因此,在入水后到上浮过程中,气囊内压可用以下函数表示:p(t)=p0+p(h,v,T r o p e,ρ,μ)(4)式中:p0为气囊初始内压,h㊁v㊁T r o p e均是与时间相关的函数,分别表示入水深度㊁运动速度㊁连接绳拉力,ρ㊁μ分别为流体密度和黏滞系数㊂图13为气囊内压的变化曲线㊂初始囊压为50k P a,弹体以50m/s的初始速度从水面上方入射,分为垂直入射和45ʎ斜入射两种情况㊂在气囊着水阶段,气囊与水面猛烈碰撞,气囊急剧变形,囊压迅速升高到峰值,囊压变化曲线与文献[21]一致㊂随后,由于入水速度较大,气囊和弹体排水形成空泡,水对气囊的压力减小,气囊内压迅速减小㊂随着空泡的闭合,水猛烈撞击气囊,气囊内压再次迅速上升到峰值,然后随着运动速度的衰减而缓慢衰减㊂可以看到,垂直入射时,在1.5~3.0s时间段内,气囊内压0611爆炸与冲击第38卷基本稳定在约68k P a ,此时间段对应于气囊和弹体到达最低点,处于悬停阶段㊂此后,随着气囊上浮,静水压力减小,气囊内压逐渐减小㊂无论是斜入射还是垂直入射,浮出水面后,漂浮状态下,气囊的内压都稳定在约52.5k P a ㊂ 图14为流体对气囊的作用力合力的时程曲线,垂直入射时,合力主要沿z 方向,另外两个方向基本为零;而斜入射主时合力主要沿z 方向和x 方向,且z 方向合力略大于x 方向㊂结合弹体的速度变化进行分析可以发现:流体合力峰值出现的区间正是气囊着水和水中减速阶段,并且与囊压峰值出现的时间段一致;当初始速度衰减到零之后,流体对气囊的作用合力主要是向上的浮力㊂图13气囊内压变化曲线F i g .13I n t e r n a l p r e s s u r e c h a n g e c u r v e o f a i r b ag 图14流体对气囊的作用力合力时程曲线F i g .14T i m eh i s t o r y c u r v e o f f l u i d f o r c e o na i r b a g 由以上分析可知,入射速度对气囊压力峰值的大小有很大影响㊂设气囊初始内压为50k P a ,弹体以不同初速度垂直入射到水中,在此条件下计算得到气囊内压峰值与初始速度之间的关系曲线,如图15所示㊂可以看出:初始速度越大,囊压峰值越高,即气囊受水的冲击力越大㊂图15囊压峰值与初始速度的关系曲线F i g .15R e l a t i o n s h i p b e t w e e n p e a kv a l u e o f a i r b a g i n t e r n a l p r e s s u r e a n d i n i t i a l v e l o c i ty 图16入水深度与初始囊压的关系曲线F i g .16R e l a t i o n s h i p b e t w e e nw a t e r e n t r y d e p t ha n d i n i t i a l a i r b a g i n t e r n a l p r e s s u r e 3.4 气囊的缓冲作用气囊内压是进行缓冲气囊优化设计的重要参数㊂在软着陆气囊设计中,囊压太低容易引起气囊变形过大,从而导致 硬着陆 而损坏结构;气压太高又会导致缓冲加速度上升,缓冲效果不佳[22]㊂在气囊入水问题中,随着入水深度的增加,气囊内压在流体压力作用下会升高㊂根据C V 法原理,密闭气囊体积与内压呈反比,因此,若气囊初始囊压过低,入水压缩后气囊体积偏小,所产生的浮力和阻力不够,则会导致入水过深无法短时间内浮出水面,甚至沉入水底㊂ 图16为弹体以50m /s 的速度垂直入水时入水深度与初始囊压之间的关系曲线㊂可以看出,入水深度随着囊压的降低而增大㊂充气完成后,气囊体积约为2.8m 3,弹体本身的排水体积约为1.9m 3,根据浮力计算公式[17],所能产生的浮力大于弹体及结构重力㊂但是当气囊囊压过低时,随着入水深度的1611 第5期 陈 洋,等:带环形密闭气囊弹体入水冲击过程的数值分析增大,气囊体积持续被压缩,最终所能产生的浮力将不足以抵消重力,气囊将无法上浮甚至沉入水底㊂在压力为20~30k P a 区间内按照二分法选取囊压进行计算,可以确定气囊的临界压力大约为23.75k P a ,低于此压力,弹体将沉没㊂ 图17为初始囊压与弹体速度减到零所耗时间的关系曲线㊂可以看出:初始囊压越高,减速时间越短,减速效果越好㊂但是囊压的设计值并不是越高越好㊂一方面,囊压过高可能导致回收过程中气囊破裂,影响整个弹体回收过程的安全性与可靠性;另一方面,气囊与弹体之间连接绳的拉力峰值随着囊压的升高而增大,即囊压越高,连接绳对弹体的冲击力越大,这样极有可能导致回收过程中弹体外壳被拉坏,影响回收效果,如图18所示㊂因此,在进行入水回收气囊参数设计时,有必要根据实际情况综合考虑缓冲效果㊁减速效果以及气囊安全性等因素㊂图17减速时间与初始囊压的关系曲线F i g .17R e l a t i o n s h i p b e t w e e nd e c e l e r a t i o n t i m e a n d i n i t i a l a i r b a g i n t e r n a l p r e s s u re 图18连接绳拉力峰值与初始囊压的关系曲线F i g .18R e l a t i o n s h i p b e t w e e n p e a k t e n s i o no f c o n n e c t i n g r o p e a n d i n i t i a l a i r b a g i n t e r n a l p r e s s u r e 4 结 论基于L S -D Y N A ,运用C V 法模拟环形密闭气囊,结合流固耦合算法,模拟了某弹体及附带环形密闭气囊在展开状态下的入水过程,分析了多种工况下气囊和弹体入水姿态,探讨了影响气囊和弹体入水回收效果的多种因素,可得到以下结论㊂(1)气囊和弹体的入水过程分为弹体砰水㊁气囊着水㊁入水减速㊁水中悬停㊁缓慢上浮㊁上浮出水㊁水面漂浮7个阶段㊂弹体垂直入水后能始终保持直立姿态;斜入水初期,弹体轴线与水平方向夹角会有所减小,但随着运动速度的衰减,弹体在悬停阶段开始逐渐调整姿态,并在上浮阶段中逐渐转变成直立姿态,浮出水面后弹体能保持直立姿态漂浮在水面㊂(2)气囊入水过程中囊压的变化主要受入水深度㊁运动速度㊁连接绳拉力等因素影响㊂囊压峰值出现在气囊着水阶段,此时气囊与水面猛烈碰撞,水对气囊的冲击力较大㊂在上浮阶段随着入水深度减小,气囊内压也逐渐减小㊂另外,入水冲击过程中气囊内压峰值随着入水速度的增大而升高㊂(3)弹体入水深度随着气囊初始内压的降低而增大㊂初始内压过低可能导致气囊减速时间过长,或气囊入水后产生的浮力不足以抵消弹体重力而沉入水底㊂气囊内压越高,入水冲击过程中连接绳对弹体的拉力峰值越大㊂当囊压过高时,连接绳可能会拉坏弹体外壳,从而影响回收效果㊂因此,在进行入水回收气囊参数设计时,需要综合考虑缓冲效果㊁减速效果及气囊安全性等因素㊂参考文献:[1] 陈帅,李斌,温金鹏,等.软着陆气囊缓冲特性与参数设置的理论研究[J ].振动与冲击,2009,28(4):25-28.C H E NS h u a i ,L I B i n ,W E NJ i n p e n g ,e t a l .C u s h i o n i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d p a r a m e t e r d e s i g no f a s o f t l a n d i n g a i r b a g[J ].J o u r n a l o fV i b r a t i o na n dS h o c k ,2009,28(4):25-28.[2] 温金鹏,李斌,谭德伟,等.考虑织布弹性的软着陆气囊缓冲特性研究[J ].振动与冲击,2010,29(2):79-83.2611爆 炸 与 冲 击 第38卷W E NJ i n p e n g ,L IB i n ,T A ND e w e i ,e t 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