前抛体对弹体入水载荷影响数值模拟研究

弹体穿过气-液界面时因密度突变会遭受强冲击载荷，出现结构损伤或破坏。为降低弹体入水的冲击载荷，基于Rabbi降载思想，提出了一种在主弹体前附加前抛体的结构形式。运用S-ALE (structured arbitrary LagrangeEuler)算法和罚函数流固耦合方法进行空泡形态和弹体运动状态数值模拟，数值模拟结果与弹体入水实验图像吻合，验证了数值模拟算法的有效性；随后研究了前抛弹体的入水角度、主弹体与前抛体的无量纲入水时间间隔参数、前抛体尺寸、主弹体与前抛体的入水初速度对降载效果的影响。研究结果表明，前抛体垂直入水时存在前抛体和主弹体碰撞现象，不利于降载，甚至可能给主弹体带来更大的载荷；前抛体斜入水时可避免两弹体间的碰撞，具有良好的降载效果，最大降载率可达90%。在此基础上获得了降载效果最佳的无量纲入水时间间隔范围为0.8～0.9，在此范围内主弹体的降载效果随前抛体尺寸的增大和入水初速度增加而提高。     

弹丸入水特性的SPH计算模拟

应用SPH方法研究弹丸入水过程中的动力学特征。利用拉格朗日形式的N-S方程自编SPH程序,建立弹丸入水的计算模型,赋予相应的材料参数及状态方程,研究弹丸外形、入水速度和角度等因素对入水过程的影响。模拟结果表明:空化泡的形态及发展规律主要由弹丸的运动姿态决定;弹道越稳定,阻力因数就越小,弹丸的存速就越大。SPH方法具有较强的自适应性,适用于研究弹丸入水的流固耦合问题。     

基于双向流固耦合的超空泡射弹入水研究

超空泡射弹通过超空泡减阻技术在水下高速长距离航行, 是对抗水下近距离威胁的有效手段. 为了扩大防御范围、增加杀伤力, 超空泡射弹具有很高的发射速度. 高速超空泡射弹在入水时中受到极大的冲击载荷, 发生显著的结构变形, 结构变形与流场之间存在相互影响和作用, 常规的基于刚体假设的仿真研究方法不再适用. 为了研究高速超空泡射弹入水过程中的结构变形及其对流体动力特性的影响, 通过耦合流体力学求解器和结构动力学求解器, 建立了射弹高速入水双向流固耦合仿真模型, 并通过与文献中的试验结果进行对比验证了该模型空泡形态计算方法和耦合方法的准确性. 使用双向流固耦合的方法对高速射弹在不同初始攻角入水过程中的超空泡流动特性及结构变形特性进行了数值模拟研究, 通过对比流固耦合模型与刚体模型的计算结果, 得到了超空泡射弹的结构弯曲变形对流体动力载荷的影响. 研究结果表明: 高速射弹入水过程中流固耦合效应对超空泡流型及流体动力载荷的计算结果有显著影响; 本文所研究的射弹在考虑流固耦合效应, 带攻角垂直入水两倍弹长的范围内, 超空泡射弹的流体动力载荷与弯曲变形之间形成正反馈; 高速超空泡射弹在入水过程中受到的流体动力载荷及弹体应力应变随入水初始攻角的增加显著增大, 研究对象在初速1400m/s的条件下入水时, 当初始攻角不超过2°时不存在结构安全性问题.      

Underwater acoustics and cavitating flow of water entry

The fluid mechanics of water entry is studied through investigating the underwater acoustics and the supercavitation. Underwater acoustic signals in water entry are extensively measured at about 30 different positions by using a PVDF needle hydrophone. From the measurements we obtain (1) the primary shock wave caused by the impact of the blunt body on free surface; (2) the vapor pressure inside the cavity; (3) the secondary shock wave caused by pulling away of the cavity from free surface; and so on. The supercavitation induced by the blunt body is observed by using a digital high-speed video camera as well as the single shot photography. The periodic and 3 dimensional motion of the supercavitation is revealed. The experiment is carried out at room temperature. The project supported by the “BaiRen Plan” of Chinese Academy of Sciences     

高速斜入水和水平入水气炮水箱实验系统

为开展模型高速斜入水和水中高速航行的水流场实验研究,研制了立式和卧式气炮与水箱组合的实验系统。通过快速阀和活塞阀控制气炮激发和驱动状态,一级气炮采用高压空气直接驱动弹托和模型,二级气炮采用高压空气驱动重活塞压缩使集气腔中产生高压气体,再驱动弹托和模型达到预定速度。通过调节水箱和发射管角度,使高速模型斜入水或水平入水。其中,立式可变发射角二级气炮可发射质量1～1000 g的模型至2500 m/s最大速度,卧式一级气炮可发射质量1～100 kg的模型至300 m/s最大速度。和小气室、高燃气压力火药驱动方式相比,新型气炮采用大体积、中低驱动压力气室,高压气体更接近等熵膨胀做功,调节高压气体压力,能较好地满足模型质量和速度的宽范围要求。结合光反射通断法测速、高速摄影和阴影流场显示等测量技术,得到立式气炮压缩管重活塞运动速度、压缩管末端压力时间曲线和模型倾斜与水平入水的流场阴影图像。结果表明:重活塞速度在膜片破裂前和理论计算值符合较好,但破膜后差异较大。立式气炮流场阴影图像反映了模型斜入水产生的空中和水中激波以及在气水界面的反射激波、空泡形成和侧向气水界面的破碎与飞溅等现象。从卧式气炮的模型水平入水阴影图像提取气泡轮廓,清楚地看出尾部气泡气水界面的波动和失稳。和商业计算软件Fluent计算结果相比,空泡上游区域基本重合,但尾流区域强湍流导致两者存在明显差异。和水洞实验相比,气炮水箱实验系统近真实地再现高速入水过程伴随的冲击和动态空化等物理现象和模型尺度效应。     

Some progress in the study of the water entry phenomenon

 This paper reports on progress in the study of the water entry phenomenon. First, an experiment conducted measuring the velocity of the projectile after water entry. An empirical formula was obtained describing the change of the velocity of an underwater projectile with water depth. From the formula, the velocity decay coefficient β=0.5ρ_w A _o C _d/m, was determined, where ρ_w is the water density, A _o is the projection area of the projectile, C _d is the drag coefficient and m is the mass of the projectile. A theoretical model was then presented to describe the motion of the projectile during entry. Based on the obtained value of β, when the projectile was treated equivalently as a sphere, the theoretical water depth for deep closure of the cavity was predicted. Received: 10 February 2000/Accepted: 20 July 2000     

杆式弹对厚壁壳体装药冲击起爆机制模拟分析

为研究高速杆式弹冲击厚壁壳体装药的起爆机制,运用冲击物理显式欧拉型动力学SPEED软件,开展了不同弹径和弹长的钨合金杆式弹与厚壁壳体Comp-B装药相互作用过程的数值模拟,采用升降法获得弹体起爆装药临界着速及装药起爆位置变化。研究结果表明:弹体起爆装药临界着速随弹径增大而显著降低,随弹长增大呈先降低后平缓变化的规律;弹体以临界着速起爆装药时,存在2种装药起爆机制,即弹体贯穿壳体后的宏观剪切起爆和未贯穿壳体的低速冲击起爆,且其机制随弹体着速在临界着速以上继续提高会发生转变,最终均会转变为高速冲击起爆机制;装药起爆位置均发生在炸药壳体交界面后一定距离处,相同机制下此距离随弹体着速提高而减小。     

动能深侵彻弹的力学设计(I):侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上,进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围,可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力,分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶,分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限,并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

穿甲机理的数值研究

为了深入开展穿甲机理的研究,本文对三组穿甲问题——钨弹以1000m/s打钢靶,钢弹以1000m/s打钢靶,钢弹以1000m/s打铝靶,作了数值研究,应用流体弹塑性力学模型,二维不定常欧拉型编码CPG-LTDL code进行计算,计算结果与试验对比符合良好。 对计算结果的分析指出:(1)弹丸侵彻能力不是取决于它的整体动能,而是取决于弹靶接触面上的压力,当靶板参数和弹材固定时,可用弹丸初始面积比动能来标志,(2)铝靶在抗侵彻过程中呈流体性态,高强度铝钣的抗侵彻性能不如普通的A3钢钣,因此应致力于研制具有抗高压、耐高温的新型铝材,而不是单纯追求提高铝材的常规强度。     

水下高速射弹超空泡运动建模与仿真

建立并简化了水下高速射弹动力学和运动学模型。基于空泡模型假设和空泡截面独立扩张原理,确定了空化数与速度、深度的耦合计算关系;定义了水下射弹尾翼穿刺前的临界空化数;对水下高速射弹弹道特性进行了仿真研究。仿真计算结果表明：水下射弹有效射程受初始入射角影响较大;随着初始入射角的增大,有效射程逐渐减小;提升初速度可以带来有效射程的增大,但增幅效果不显著,在满足预定指标条件下应合理选择初速度;初始攻角对射弹弹道散布影响较大,初始角速度对其影响很小,但较大的初始角速度会带来明显的攻角变化。     

高速射弹超空泡流动的重力和压缩性效应

超空泡射弹是一种新型的水下高速动能武器。基于理想可压缩势流理论,考虑流体的重力效应,建立了水下细长锥形射弹超空泡流动的统一理论模型和数值计算方法,分别导出了亚、超声速条件下用于计算细长锥形射弹超空泡形态的积分-微分方程。采用二次多项式局部拟合空泡,提出了超空泡形态的数值离散和递推求解方法。通过超空泡长细比的渐近解与数值解计算结果比较,验证了所建立的理论模型和计算方法的有效性。通过分析细长锥形射弹在不同运动方式、深度、速度条件下的超空泡形态和流体动力系数计算结果,明确了流体重力和压缩性效应对超空泡尺度、射弹表面压力分布和压差阻力系数的影响。     

动能深侵彻弹的力学设计(Ⅱ):弹靶的相关力学分析与实例

介绍了作者关于动能深侵彻弹研究的部分工作。单纯动能弹侵彻存在侵彻深度上限，在技战术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可令动能深侵彻弹尽可能实现最大侵深。其中弹体结构的力学设计尤为重要，如弹形、弹材、质量比、长径比等。进一步开展弹体结构设计的力学研究，包括头部设计、战斗部后盖、装填比、弹形和弹材、侵彻效应中的尺度律、混凝土靶的设计，最后给出若干实例。     

一种新的磁传感器辅助弹载接收机跟踪环路的方法

针对弹载接收机高速旋转的特性,提出一种利用磁传感器测量弹体姿态,补偿旋转引起的载波多普勒频移和相位偏移的方法。首先,根据弹丸弹道学特征,推导弹体高速旋转引起的载波频移和相位偏移与弹体姿态的表达式;其次,研究了接收机载波跟踪环路的跟踪门限与弹体动态应力的关系;然后,给出弹体坐标系中,磁传感器测量弹体姿态的算法——极值比值法和积分比值法。仿真试验结果表明,磁传感器弹体姿态估计的方法能够有效降低弹载接收机跟踪环路的跟踪门限,其载噪比降低了3 dB·Hz,环路带宽减小了100 Hz以上,提高了弹载接收机GNSS信号跟踪能力。     

旋转弹体表面红外辐射干扰补偿模型

针对地球红外辐射姿态测试方法中弹体表面红外辐射干扰较大的问题,建立旋转弹体自身红外辐射补偿模型,从而提高弹体姿态测量精度。首先,采用瞬态热平衡微分方程推导出旋转弹体表面温度变化曲线,获取弹体自身红外辐射亮度。然后,根据地球红外辐射及其在大气中的传播规律,建立了弹体自身红外辐射补偿数学模型。最终结合红外传感器输出和所推导的补偿模型,估算红外辐射补偿参数。结果表明补偿后姿态角解算误差显著降低,俯仰角和横滚角解算误差最终分别保持在±0.2°和±0.4°以内。本方法对姿态测量误差的减小具有显著效果,补偿方法简单有效,对旋转弹体的红外姿态测试技术的研究具有借鉴意义。     

旋转射弹高速倾斜入水多相流场与弹道数值模拟

基于VOF多相流模型和有限体积法求解水、汽、气多相流动的RANS方程，结合重叠网格技术和six DOF算法对某一型号舰载射弹倾斜入水过程进行数值模拟研究。首先基于该方法研究了射弹旋转效应对射弹运动特性及流体动力特性的影响，然后对不同入水角下倾斜入水过程进行分析，得到不同倾角下旋转射弹入水空泡形态发展规律、弹体运动特征及流体动力特性变化规律。研究结果表明:射弹的旋转有利于弹体在初始对称面内的弹道稳定性，但会降低弹体侧向稳定性，使射弹受到的阻力系数、俯仰力矩系数变小；入水角越小，形成的空泡越不对称，由射弹运动状态的改变引起的空泡形态变化越明显，在超空泡航行阶段，弹体运动较稳定，不同角度下流体动力系数差别很小，当弹体下表面刺破空泡壁沾湿时，弹体运动状态发生较大变化，流体动力系数迅速增大，此时入水角度过小，弹体容易失稳；弹体的沾湿对空泡形态、弹体运动稳定性和流体动力特性有着重要的影响。     

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

Cross validation of analytical and finite element models for Hydrodynamic Ram loads prediction in thin walled liquid filled containers

To reduce the vulnerability of both civilian and military aircraft, it is important to take the Hydrodynamic Ram pressure into account when designing their fuel tanks. Hydrodynamic Ram is especially dangerous for thin walled lightweight structures that cannot be armoured due to weight penalty reasons. Similarities in bubble behaviour between Hydrodynamic Ram and underwater explosion situations were observed in recent high-speed tank penetration/water entry experiments. A confined version of the Rayleigh–Plesset equation – which is classically used for incompressible bubble dynamics analysis (including underwater explosion) – was developed to simulate a bubble created by a Hydrodynamic Ram event induced by projectile penetration at ballistic speed in a confined geometry filled with a liquid. In the present work, the authors validate the proposed confined Rayleigh–Plesset equation for application on a spherical container thanks to quasi-incompressible ALE finite element simulation results. Then to determine the effect of liquid compressibility on confined bubble dynamics, the authors compare predictions of bubble radii obtained with the confined Rayleigh–Plesset equation with the prediction obtained using compressible finite element simulations. Eventually, the authors discuss differences in the bubble dynamics and hydrodynamic loads predictions obtained with the two approaches.     

弹、塑性弹丸冲击混凝土的滑移面算法及其损伤演化

将有限元方法与光滑粒子动力学方法相结合,编制了弹、塑性弹丸冲击混凝土的计算程序,其中给出具有人工动量输运功能的滑移面算法。计算表明,弹丸按弹、塑性计算与按刚体计算的侵彻过程不同;特别对于壳结构弹体,其冲击速度存在临界值。超过临界冲击速度,弹体将发生较大塑性变形和损伤破坏,而且弹丸侵彻深度不能再随冲击速度增加而有效地增加。弹体损伤区的内损伤演化率与冲击速度有关,当冲击速度增加时损伤演化加快。     

弹道枪不同水深下全淹没式发射膛口流场的数值分析

为了解弹道枪水下全淹没发射时，水深对膛口流场演化特性的影响，建立了二维轴对称非稳态膛口流场模型。采用流体体积函数多相流模型、标准k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型，结合动网格及用户自定义函数技术，对水下全淹没发射膛口流场演变全过程进行了数值模拟。搭建了弹道枪水下可视化射击实验平台，对12.7 mm口径弹道枪在水中全淹没式发射时膛口流场演化过程进行了观测，并验证了数值模型的合理性。在此基础上，对比了不同水深下（h=1～100 m）膛口流场的演化特性。通过对比发现:在不同水深条件下，在膛口流场影响范围内，弹丸膛外行程随时间的变化均满足指数函数规律；水越深，膛口流场典型波系结构形成所需时间越长，且燃气在膛口轴向马赫盘处的温度和压力峰值越低，压力振荡幅度也越小，更快趋于平稳，但在径向上，水越深，压力振荡持续时间越长。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。