兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (5): 240885-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0885
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收稿日期:
2024-09-24
上线日期:
2025-05-07
通讯作者:
DIAO Zhenting, FANG Dengjian*(), WANG Shaolei
Received:
2024-09-24
Online:
2025-05-07
摘要:
针对航行体与冰相互作用的强非线性问题,通过相似理论推导出影响航行体破冰的关键无量纲参数,进行航行体高速贯穿冰层的缩比模型试验。基于高斯拟合函数提出一个冰载荷预测公式;建立航行体破冰出水的流固耦合模型,通过改变航行体的头部形状、航行体撞击冰层的动能和冰层厚度,对破冰现象、冰载荷以及航行体运动特性进行分析。研究结果表明:在破冰过程中,航行体头部空泡的体积不断减小,肩部空泡的体积逐渐增大,空化效应越来越剧烈。当航行体初始速度为40m/s时,半球型、球锥型、尖锥型航行体的冰载荷极值分别为35700kN、33200kN、18600kN,尖锥型头部航行体破冰前后速度损失率最低,破冰效果最好;在冰层厚度为180mm、弹射压力分别为3MPa和5MPa的条件下,航行体破冰后速度分别由13.1m/s、17.8m/s降低至9.5m/s、13.4m/s;航行体破冰速度越大,速度损失率越低,动能损失越大;冰载荷极值和航行体速度损失率随着冰层厚度的增加而上升,航行体初速度对载荷特性和运动特性的影响效果随着冰层厚度的减小而弱化。
刁震霆, 方登建, 王少蕾. 航行体垂向破冰数值分析与试验研究[J]. 兵工学报, 2025, 46(5): 240885-.
DIAO Zhenting, FANG Dengjian, WANG Shaolei. Numerical Analysis and Experimental Study of a Underwater-launched Projectile Breaking Through Ice Vertically[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(5): 240885-.
材料属性 | 数值 | 材料属性 | 数值 |
---|---|---|---|
密度/(kg·m-3) | 900 | 体积模量/GPa | 5.26 |
剪切模量/GPa | 2.20 | 塑性失效应变 | 0.35 |
屈服应力/MPa | 2.12 | 截断压力/MPa | -4 |
塑性硬化模量/GPa | 4.26 |
表1 海冰本构模型材料
Table 1 Sea ice intrinsic model materials
材料属性 | 数值 | 材料属性 | 数值 |
---|---|---|---|
密度/(kg·m-3) | 900 | 体积模量/GPa | 5.26 |
剪切模量/GPa | 2.20 | 塑性失效应变 | 0.35 |
屈服应力/MPa | 2.12 | 截断压力/MPa | -4 |
塑性硬化模量/GPa | 4.26 |
类型 | 物理量 | 符号参数 | 量纲 |
---|---|---|---|
长度 | L | l | |
基本参数 | 质量 | m | m |
时间 | T | t | |
密度 | ρi,ρvh | m/l3 | |
材料参数 | 泊松比 | μi,μvh | |
弹性模量 | Ei,Evh | m/(lt2) | |
冰层厚度 | hi | l | |
几何参数 | 冰层特征尺寸 | li,wi | l |
航行体长度 | lvh | l | |
航行体直径 | dvh | l | |
物理参数 | 时间 | t | t |
初始速度 | v0 | l/t | |
动态参数 | 速度 | vvh | l/t |
冰阻力 | Fi | ml/t2 |
表2 参数的导出量纲
Table 2 Dimension of parameters
类型 | 物理量 | 符号参数 | 量纲 |
---|---|---|---|
长度 | L | l | |
基本参数 | 质量 | m | m |
时间 | T | t | |
密度 | ρi,ρvh | m/l3 | |
材料参数 | 泊松比 | μi,μvh | |
弹性模量 | Ei,Evh | m/(lt2) | |
冰层厚度 | hi | l | |
几何参数 | 冰层特征尺寸 | li,wi | l |
航行体长度 | lvh | l | |
航行体直径 | dvh | l | |
物理参数 | 时间 | t | t |
初始速度 | v0 | l/t | |
动态参数 | 速度 | vvh | l/t |
冰阻力 | Fi | ml/t2 |
参数 | 工况1 | 工况2 |
---|---|---|
hi/m | 0.1 | 0.12 |
lvh/m | 1 | 1.2 |
v0/(m·s-1) | 20 | 25 |
ρvh/(m·s-3) | 7850 | 5024 |
0.1 | 0.1 | |
0.009 | 0.009 |
表3 不同工况的参数
Table 3 Parameters of different working conditions
参数 | 工况1 | 工况2 |
---|---|---|
hi/m | 0.1 | 0.12 |
lvh/m | 1 | 1.2 |
v0/(m·s-1) | 20 | 25 |
ρvh/(m·s-3) | 7850 | 5024 |
0.1 | 0.1 | |
0.009 | 0.009 |
工况序号 | 压力/MPa | 冰层厚度/mm | 破冰前速度/(m·s-1) | 破冰后速度/(m·s-1) | 速度损失率/% | 动能损失量/J |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 3 | 160 | 12.8 | 10.2 | 20.93 | 152.49 |
2 | 3 | 180 | 13.1 | 9.5 | 27.48 | 207.47 |
3 | 3 | 200 | 13.2 | 8.4 | 36.36 | 264.38 |
4 | 5 | 160 | 18.1 | 14.8 | 18.23 | 276.85 |
5 | 5 | 180 | 17.8 | 13.4 | 24.72 | 350.06 |
6 | 5 | 200 | 18.0 | 11.8 | 34.44 | 471.14 |
表4 不同工况破冰前后速度变化
Table 4 Velocity changes before and after ice breaking under different working conditions
工况序号 | 压力/MPa | 冰层厚度/mm | 破冰前速度/(m·s-1) | 破冰后速度/(m·s-1) | 速度损失率/% | 动能损失量/J |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 3 | 160 | 12.8 | 10.2 | 20.93 | 152.49 |
2 | 3 | 180 | 13.1 | 9.5 | 27.48 | 207.47 |
3 | 3 | 200 | 13.2 | 8.4 | 36.36 | 264.38 |
4 | 5 | 160 | 18.1 | 14.8 | 18.23 | 276.85 |
5 | 5 | 180 | 17.8 | 13.4 | 24.72 | 350.06 |
6 | 5 | 200 | 18.0 | 11.8 | 34.44 | 471.14 |
算法 | 冰模型 | 水、空气模型 | 计算时间 |
---|---|---|---|
1(本文算法) | FEM | S-ALE | 8h32min |
2 | FEM | ALE | 12h41min |
3 | SPH | SPH | 20h08min |
4 | SPH | ALE | 16h26min |
5 | FEM-SPH | ALE | 14h22min |
6 | PD | ALE | 9h15min |
7 | SPG-FEM | S-ALE | 11h15min |
表5 不同算法的计算时间
Table 5 Computational time of different algorithms
算法 | 冰模型 | 水、空气模型 | 计算时间 |
---|---|---|---|
1(本文算法) | FEM | S-ALE | 8h32min |
2 | FEM | ALE | 12h41min |
3 | SPH | SPH | 20h08min |
4 | SPH | ALE | 16h26min |
5 | FEM-SPH | ALE | 14h22min |
6 | PD | ALE | 9h15min |
7 | SPG-FEM | S-ALE | 11h15min |
序号 | a | b | c | R2 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0390 | 0.08 | 1.5696×107 | 0.0061 | 0.0069 | 0.9217 |
2 | 0.0446 | 0.08 | 1.7788×107 | 0.0056 | 0.0059 | 0.9200 |
3 | 0.0502 | 0.08 | 1.9454×107 | 0.0052 | 0.0053 | 0.9241 |
4 | 0.0390 | 0.10 | 1.6117×107 | 0.0073 | 0.0074 | 0.9485 |
5 | 0.0446 | 0.10 | 1.8128×107 | 0.0067 | 0.0065 | 0.9521 |
6 | 0.0502 | 0.10 | 1.9765×107 | 0.0062 | 0.0057 | 0.9505 |
7 | 0.0390 | 0.12 | 1.6671×107 | 0.0070 | 0.0067 | 0.9519 |
8 | 0.0446 | 0.12 | 1.8950×107 | 0.0064 | 0.0056 | 0.9555 |
9 | 0.0502 | 0.12 | 2.0635×107 | 0.0059 | 0.0050 | 0.9550 |
表7 冰载荷曲线拟合参数
Table 7 Parameters for ice load curve fitting
序号 | a | b | c | R2 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0390 | 0.08 | 1.5696×107 | 0.0061 | 0.0069 | 0.9217 |
2 | 0.0446 | 0.08 | 1.7788×107 | 0.0056 | 0.0059 | 0.9200 |
3 | 0.0502 | 0.08 | 1.9454×107 | 0.0052 | 0.0053 | 0.9241 |
4 | 0.0390 | 0.10 | 1.6117×107 | 0.0073 | 0.0074 | 0.9485 |
5 | 0.0446 | 0.10 | 1.8128×107 | 0.0067 | 0.0065 | 0.9521 |
6 | 0.0502 | 0.10 | 1.9765×107 | 0.0062 | 0.0057 | 0.9505 |
7 | 0.0390 | 0.12 | 1.6671×107 | 0.0070 | 0.0067 | 0.9519 |
8 | 0.0446 | 0.12 | 1.8950×107 | 0.0064 | 0.0056 | 0.9555 |
9 | 0.0502 | 0.12 | 2.0635×107 | 0.0059 | 0.0050 | 0.9550 |
序号 | 预测值/Pa | 实际值/Pa | 误差/% | ||
---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0700 | 0.06 | 2.81×107 | 2.92×107 | 3.77 |
2 | 0.0669 | 0.10 | 3.48×107 | 3.26×107 | 6.75 |
3 | 0.0585 | 0.12 | 2.44×107 | 2.34×107 | 4.27 |
4 | 0.0675 | 0.11 | 2.97×107 | 3.11×107 | 4.50 |
5 | 0.0558 | 0.08 | 2.13×107 | 2.26×107 | 6.02 |
表8 预测值与实际值对比
Table 8 Comparison of predicted and actual values
序号 | 预测值/Pa | 实际值/Pa | 误差/% | ||
---|---|---|---|---|---|
1 | 0.0700 | 0.06 | 2.81×107 | 2.92×107 | 3.77 |
2 | 0.0669 | 0.10 | 3.48×107 | 3.26×107 | 6.75 |
3 | 0.0585 | 0.12 | 2.44×107 | 2.34×107 | 4.27 |
4 | 0.0675 | 0.11 | 2.97×107 | 3.11×107 | 4.50 |
5 | 0.0558 | 0.08 | 2.13×107 | 2.26×107 | 6.02 |
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