兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 240358-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0358
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赵洁1, 蔡晓伟2, 吴祥清1, 焦艳梅3, 张军1,*(), 黄达1
收稿日期:
2024-05-10
上线日期:
2025-05-07
通讯作者:
ZHAO Jie1, CAI Xiaowei2, WU Xiangqing1, JIAO Yanmei3, ZHANG Jun1,*(), HUANG Da1
Received:
2024-05-10
Online:
2025-05-07
摘要:
为研究潜射导弹在极地水下环境下发射的相关机理,基于有限元分析软件、采用任意拉格朗日-欧拉方法和光滑粒子流体动力学方法分别搭建流体和无限大整冰模型,并针对冰力学性能对应变率敏感的特性,采用添加了状态方程的塑性压缩张量材料模型,构建水下航行体出水破冰的流固耦合仿真模型。在完成关键数值计算方法有效性验证的基础上,通过数值仿真分析研究不同冰层厚度、航行体速度条件下航行体所受载荷变化情况,并得到航行体在破冰过程中所受到的碰撞接触力和破冰过程中航行体及冰的应力分布。研究结果表明:航行体出水破冰过程中,随着冰层厚度的增加,航行体受到的接触作用力增大,作用时间增长;随着破冰速度的增大,航行体所受接触作用力增大,作用时间缩短。
中图分类号:
赵洁, 蔡晓伟, 吴祥清, 焦艳梅, 张军, 黄达. 水下航行体出水破冰载荷特性数值模拟[J]. 兵工学报, 2025, 46(5): 240358-.
ZHAO Jie, CAI Xiaowei, WU Xiangqing, JIAO Yanmei, ZHANG Jun, HUANG Da. Numerical Study on Ice-breaking Load Characteristics of Underwater Vehicles[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(5): 240358-.
应变率/s-1 | 比例系数 | 应变率/s-1 | 比例系数 |
---|---|---|---|
1.0×10-9 | 0.270 | 1.0×10-2 | 1.220 |
1.0×10-8 | 0.336 | 1.0×10-1 | 1.520 |
1.0×10-7 | 0.417 | 1.0×100 | 1.890 |
1.0×10-6 | 0.520 | 1.0×101 | 2.348 |
1.0×10-5 | 0.643 | 1.0×102 | 2.910 |
1.0×10-4 | 0.800 | 1.0×103 | 3.620 |
1.0×10-3 | 1.000 |
表1 冰应变率和压缩屈服应力比例系数
Table 1 Strain rates and compressive yield stress scale factors of ice
应变率/s-1 | 比例系数 | 应变率/s-1 | 比例系数 |
---|---|---|---|
1.0×10-9 | 0.270 | 1.0×10-2 | 1.220 |
1.0×10-8 | 0.336 | 1.0×10-1 | 1.520 |
1.0×10-7 | 0.417 | 1.0×100 | 1.890 |
1.0×10-6 | 0.520 | 1.0×101 | 2.348 |
1.0×10-5 | 0.643 | 1.0×102 | 2.910 |
1.0×10-4 | 0.800 | 1.0×103 | 3.620 |
1.0×10-3 | 1.000 |
参数 | 空气 | 水 |
---|---|---|
密度/(kg·m-3) | 1.25 | 1000 |
网格数量 | 51597 | 512000 |
网格尺寸/mm | 2.5,2.5,3.8 | 2.5,2.5,3.2 |
单元类型 | Solid ALE | Solid ALE |
材料模型 | 009_NULL | 009_NULL |
截断压力/MPa | -10 | -10 |
状态方程 | LINEAR_POLYNOMIAL | GRUNEISEN |
表2 空气、水材料模型参数
Table 2 Material parameters of air and water
参数 | 空气 | 水 |
---|---|---|
密度/(kg·m-3) | 1.25 | 1000 |
网格数量 | 51597 | 512000 |
网格尺寸/mm | 2.5,2.5,3.8 | 2.5,2.5,3.2 |
单元类型 | Solid ALE | Solid ALE |
材料模型 | 009_NULL | 009_NULL |
截断压力/MPa | -10 | -10 |
状态方程 | LINEAR_POLYNOMIAL | GRUNEISEN |
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7850 |
网格数量 | 552 |
网格尺寸/mm | 2.3,2.3,3.1 |
单元类型 | Solid |
材料模型 | 003_MAT_PLASTIC_KINEMATIC |
弹性模量/GPa | 211 |
剪切模量/GPa | 6 |
泊松比 | 0.3 |
屈服应力/MPa | 355 |
表3 圆柱材料模型参数
Table 3 Material parameters of cylinder
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7850 |
网格数量 | 552 |
网格尺寸/mm | 2.3,2.3,3.1 |
单元类型 | Solid |
材料模型 | 003_MAT_PLASTIC_KINEMATIC |
弹性模量/GPa | 211 |
剪切模量/GPa | 6 |
泊松比 | 0.3 |
屈服应力/MPa | 355 |
网格类型 | 位移/mm | 相对 误差/% | |
---|---|---|---|
仿真结果 | 实验结果[ | ||
粗网格 | 185.3 | 201.2 | -8.0 |
中网格 | 194.2 | 201.2 | -3.5 |
细网格 | 195.2 | 201.2 | -3.0 |
表4 位移仿真结果与实验结果[28]误差
Table 4 Comparison between calculated and experimental results[28] of displacement
网格类型 | 位移/mm | 相对 误差/% | |
---|---|---|---|
仿真结果 | 实验结果[ | ||
粗网格 | 185.3 | 201.2 | -8.0 |
中网格 | 194.2 | 201.2 | -3.5 |
细网格 | 195.2 | 201.2 | -3.0 |
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 4400 |
网格数量 | 135200 |
网格尺寸/mm | 1.9,1.9,0.25 |
单元类型 | Solid |
材料模型 | 003_MAT_PLASTIC_KINEMATIC |
弹性模量/GPa | 113 |
剪切模量/GPa | 4.71 |
泊松比 | 0.3 |
屈服应力/GPa | 1.01 |
表5 合金板材料模型参数
Table 5 Material parameters of alloy plate
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 4400 |
网格数量 | 135200 |
网格尺寸/mm | 1.9,1.9,0.25 |
单元类型 | Solid |
材料模型 | 003_MAT_PLASTIC_KINEMATIC |
弹性模量/GPa | 113 |
剪切模量/GPa | 4.71 |
泊松比 | 0.3 |
屈服应力/GPa | 1.01 |
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 900 |
粒子数量 | 9328 |
粒子间距/mm | 1.1,1.1,1.1 |
单元类型 | SPH |
弹性模量/GPa | 9.0 |
泊松比 | 0.33 |
拉伸截断压力/MPa | 5.0 |
压缩截断压力/MPa | -0.433 |
材料模型 | 155_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION_EOS |
状态方程 | TABULATED_COMPACTION |
表6 冰材料模型参数
Table 6 Material parameters of ice
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 900 |
粒子数量 | 9328 |
粒子间距/mm | 1.1,1.1,1.1 |
单元类型 | SPH |
弹性模量/GPa | 9.0 |
泊松比 | 0.33 |
拉伸截断压力/MPa | 5.0 |
压缩截断压力/MPa | -0.433 |
材料模型 | 155_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION_EOS |
状态方程 | TABULATED_COMPACTION |
方案 | 接触力峰值/N | 相对误差/% | |
---|---|---|---|
仿真结果 | 实验结果[ | ||
1 | 10492.0 | 9576.9 | 9.6 |
2 | 9925.3 | 9576.9 | 3.6 |
3 | 9694.7 | 9576.9 | 1.2 |
表7 接触力峰值仿真结果与实验结果[29]误差
Table 7 Comparisons of calculated and experimental results[29] of contact force
方案 | 接触力峰值/N | 相对误差/% | |
---|---|---|---|
仿真结果 | 实验结果[ | ||
1 | 10492.0 | 9576.9 | 9.6 |
2 | 9925.3 | 9576.9 | 3.6 |
3 | 9694.7 | 9576.9 | 1.2 |
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7850 |
网格数量 | 2130 |
网格尺寸/cm | 3.6,3.6,6.2 |
单元类型 | Solid |
弹性模量/GPa | 210 |
泊松比 | 0.30 |
材料模型 | 003_PLASTIC_KINEMATIC |
表8 航行体材料模型参数
Table 8 Material parameters of vehicle
参数 | 数值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7850 |
网格数量 | 2130 |
网格尺寸/cm | 3.6,3.6,6.2 |
单元类型 | Solid |
弹性模量/GPa | 210 |
泊松比 | 0.30 |
材料模型 | 003_PLASTIC_KINEMATIC |
工况 | 最大航行速度/(m·s-1) | 冰厚/cm |
---|---|---|
1 | 10 | 20 |
2 | 15 | 20 |
3 | 20 | 20 |
4 | 25 | 20 |
5 | 20 | 10 |
6 | 20 | 30 |
表9 不同工况计算条件
Table 9 Calculation conditions for different cases
工况 | 最大航行速度/(m·s-1) | 冰厚/cm |
---|---|---|
1 | 10 | 20 |
2 | 15 | 20 |
3 | 20 | 20 |
4 | 25 | 20 |
5 | 20 | 10 |
6 | 20 | 30 |
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