平头旋转壳撞水水弹性理论的研究
大半个世纪以来,空对水导弹和空投鱼雷、人造卫星海上回收和宇宙飞船海上溅落承受撞水压力性能要求越来越高.开展鱼雷、导弹等平头旋转壳体撞水水弹性效应及有关的气垫效应的分析研究,对于预报砰击现象,进而寻求能有效减少武器砰击力的方法是军工建设中亟待解决的问题. 本文用水弹性理论匹配弹性变形及水动力分析,以严格满足水动力学方程、弹性力学方程和定解条件的数值计算方法研究了平头旋转壳的水弹性效应和气垫效应. 数值计算方法包括气域中特征线法、水域中有限差分法和壳体中有限单元法. 从流体力学问题非线性角度,显然宜在时域中用步进法求解.逐步反馈求解方法是:用锥壳单元有限元法计算板壳组合体的位移和应力应变.用差分法解水域主管方程以得出入水撞击力及流场,对每一时间步计算变形后板壳组合体的入水撞击力,并求出在此入水撞击力下板壳组合体的响应(再次变形). 对流体分别以不可压缩理论及可压缩理论(七点隐式差方格式)进行计算. 本文给出的这些方程的离散化形式特别适合于用计算机求解. 本文不仅给出了数学模型、理论方程、计算方法和通用程序,并且为了使仿真计算有所比较,专门设计了平头壳体撞水模拟实验. 制作一个模拟某型鱼雷头部及前段柱壳部的空壳模型,使用中国船舶科学研究中心的冲击水池.采用自由落体投放、拖长线测量方式测定撞水压力、撞水加速度及撞水应变. 文中列举的示范性计算中,其数值解与实测结果作了比较,说明本文解法有高的精度. 本文揭示了薄壳瞬态响应的细节,并获得了壳体和周围水介质早期运动的完整图案(压力、速度、加速度、应力应变时程曲线与水面变形). 考虑进气垫効应后,不会出现不现实的高压,这是因为板下空气压缩使得水面向下运动,最终是在物体与水面无相对速度下发生碰撞的.与实测值的吻合说明了气垫、空气被压入水中及水的可压缩性都是平头旋转体撞水不会出现无穷大压力或一维声压力的原因.计算结果见表 V〓(M/S) 4.43 5.42 6.26 7.00 7.00 7.67 8.85 9.39 平均测压 (KG/CM〓) 6.21 6.90 8.38 8.90 P〓 6.22 7.78 8.22 8.97 9.33 9.79 10.56 11.01 奥格尔维- 维值(ATM) 63.35 77.51 89.52 100.10 100.10 109.68 126.56 134.28 本文的测据及算值也表明了平头旋转体入水的峰压与初速成正比 P=1.016+1.139V〓(测值) P=1.084+1.158V〓(算值) 计算表明:峰值减速度紧接出现在物体头部边缘与水面接触前. 本文特别弄清了水的压缩性仅在气垫阶段未期缓冲效果显著.气垫消失后,水压缩性的缓冲効应虽仍将持续几毫秒,但效果明显下降.因此,可以认为至少对于平头物体.只须在计算气垫效应的同时考虑水的压缩性,这样做能简化计算.气垫消失后,水可压与否的选取影响不大. 本文指出水弹性効应密切地与壳体材质、几何尺寸和撞水速度相关.气垫层效应水面及弹性体变形在撞水中起到了自然缓冲机理的作用.但是对于钢质壳体,当撞水初速超过10M/S.已使壳体内外侧单点处应力(局部应力)达到强度极限,当入水速度更大时,过载应力还要增大,壳体性能从刚性经弹性进入塑性直至破损.故在军事应用上,需加套塑料防护缓冲帽使吸收部分撞击力. 动态分析基于桑德的壳体理论(线性的、几何非线性的和带肋的). 在进行气垫効应计算时,分三个阶段.第一阶段,直到头部边缘气体速度达到0.1C〓(C〓标准大气音速),当作一维不可压气流;第二阶段直到抬高的水面与头部边缘接触,当作一维可压缩气流;在第三阶段,计算被物体头部和水面封合的气垫层,算到达到最大撞水压力.以后,据实验空气被以小气泡形式压入水中物体头部与水全面接触,气垫层消失. 本文中发展的一套预报计算程序对于确切预报过载应力并采取防范措施是十分有用的. 所编制的程序算一个工况,仅费约2小时机时,是适宜工程使用的. 本文的方法也能应用于非平头体的撞水水弹性行为的分析(非平头体将无气垫効应). 本文包括图58,表34,照片3和附录3. 源程序ACM3,AXM6,AZM441,HCM446C和SS3.
- 作者：
- 张效慈
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 船舶与海洋工程流体力学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 1987年
- 导师姓名：
- 顾懋祥；程贯一
- 关键词：
- 水弹性
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