入水角度对高速射弹入水过程的影响

研究入水角度对高速射弹入水过程的空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律,计算中使用VOF(volume of fluid)多相流模型,Schnerr and Sauer空化模型,同时结合重叠网格和6DOF(degrees of freedom)技术对射弹的入水过程开展数值模拟.结果表明:射弹两侧空泡形态不对称,与左侧空泡相比,右侧空泡尺寸较大;射弹入水以后,入水角越小,射弹质心处的速度越大;入水角为45°时,俯仰角、偏航角、滚转角的波动范围更小;射弹在撞击水面时,阻力和升力岀现了一个峰值,但侧向力没有岀现峰值,而是一段微小的波动;入水角度对射弹流动稳定阶段的滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩影响非常小.     

推力对高速入水流场特性影响

采用商用CFD软件FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准k-ε模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。     

推力对高速入水流场特性影响

采用商用CFD软件FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准[WTBX]k-ε[WTBZ]模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。     

带尾翼高速射弹自然超空泡流特性研究

为了获得良好的超空泡减阻效果,针对某30 mm带尾翼高速射弹,设计了其空化器结构参数,研究了尾翼射弹的空泡轮廓、射弹表面空泡厚度分布、运动攻角对其空泡形态的影响,计算了超空泡形态下不同攻角时带尾翼射弹的水动阻力、升力、稳定力矩等参数;对比研究了带尾翼高速射弹和普通射弹的运动稳定性,给出了2种射弹的摆动攻角曲线.研究结果表明,尾翼结构不改变射弹的超空泡形态参数,但影响其表面空泡厚度分布;尾翼结构对射弹的超空泡形态、阻力特性影响很小,可大大提高射弹的运动稳定性.     

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。     

水下射弹空化器参数对自然超空泡形态的影响

为获取有效减阻的自然超空泡形态特性,利用CFD商业软件Flunt 6．0,基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流模型。在射弹最大初速度500m／s、最小空化数为0．00155的条件下,计算了圆锥和圆盘两种空化器头部射弹模型的超空泡形态。分析了头型、直径、锥角、空化数等对自然超空泡形态特性的影响。仿真结果表明：自然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数与空化器参数;圆盘头型空化器更利于射弹超空泡的形成：空化器的直径和锥角过小都不易产生自然超空泡。     

带锥形空化器超空泡航行体的空泡与力学特性

为了研究带锥形空化器的超空泡航行体的空泡形态与流体动力之间的关系,以及锥形空化器与尾裙结构对航行体性能的影响,通过数值计算方式,对航行体模型在常用空泡流型下进行了仿真,研究了带锥形空化器航行体的空泡形态与攻角之间的关系以及相对应的流体动力的特性,论证了超空泡航行体空泡形态变化过程的普遍性,分析了大攻角时空化器的空泡与航行体空泡之间的差异,从流体动力方面对超空泡航行体的锥形空化器和尾裙之间的配合性进行了研究.结果表明,超空泡航行体流体动力与沾湿状态随攻角变化有特定的变化规律,锥形空化器与尾裙配合的结构在自导超空泡航行体上能够提高航行体的机动性能.     

液体可压缩性对超空化流动的影响

基于多相流模型和运动框架模型构建可压缩超空化流场的数值计算模型,分别使用具有不同物性的流体介质模拟水下跨声速超空化流动,并将数值模拟结果与经验公式结果相互参验,通过对比分析研究在液体可压缩性对跨声速超空化流动的影响.研究结果显示:液体可压缩性对流动参数的分布规律、空化物体的阻力特性和流场的空化情况均有显著影响;考虑液体可压缩性,随飞行速度的增大,射弹的阻力系数将增加,并且在高速工况下超空泡的尺度大幅度减小;可压缩超空化流场中,较300m/s工况,速度为1 900m/s时弹体阻力系数增大约22%,弹尾截面空泡直径减小约30%.     

基于Ansys的弹体入水动力过程分析

针对发射入水时就面临着结构损坏,内部器件失灵,水面弹跳、冒水、反转、沉底、失控等诸多失效现象问题,研究了解弹体结构高速入水所受的冲击载荷下弹体正、斜入水时弹体和水的动力相应过程.     

变速航行体自然超空泡形态与记忆效应研究

为了快捷地得到变速航行体非定常超空泡形态,探索记忆效应对空泡形态的影响,基于空泡截面独立扩展原理、空泡镜像闭合模型和航行体动力学方程,利用相对时间轴与绝对时间轴、惯性坐标系与弹体坐标系之间的关系,推导了航行体在恒定推力下及匀变速情况下自然超空泡形态的解析解,获得了空泡形态的特征量的表达式.利用经验公式,对所得的惯性运动航行体的空泡形态公式进行了验证;并结合算例分析了射弹和匀变速航行体超空泡的记忆效应,得到了空泡数、空化器尺寸和加速度对其空泡记忆效应的影响规律:当空泡数越小、空化器半径越大、加速度绝对值越大时,记忆效应越明显.     

卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板数值模拟研究

运用显式动力学有限元软件LS-DYNA,对卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板的问题进行了数值模拟研究,分析了初始速度和初始倾角的影响. 研究结果表明:倾斜穿甲过程中弹体受到不对称载荷的作用,直接导致弹体结构响应不对称及弹道偏转,靶板间隔的存在加剧了弹体的转动. 初始速度的提高易造成弹体头部远靶板侧卵形弧段变形破坏;初始倾角的增大则会使弹体头部近靶板侧卵形弧段和尾部变形破坏. 弹道偏转规律则较为复杂:初始倾角一定,速度较低时,倾角变化幅度较大,弹体质心运动轨迹偏转较大;速度较高时,尤其是弹体结构发生破坏后,弹体姿态角剧烈变化. 初始速度一定,随着初始倾角的增大,弹体穿甲过程中的倾角和姿态角变化幅度都变大,容易发生跳弹.     

不同头部形状弹体高速侵彻混凝土试验研究

为研究高速撞击条件下弹体侵彻能力、弹体侵彻极限速度、弹体质量损失等问题,在高速弹道炮上开展了不同头部形状弹体对混凝土靶体高速正侵彻的模型试验,试验最高弹速达到了1 420 m/s,获得了侵彻深度与侵彻速度之间的关系. 结果表明,随着弹体速度的增加,弹道的稳定性逐渐变差,弹体头部侵蚀加重,当弹体初速度大于弹体极限速度时,弹体出现弯曲破坏,侵彻深度下降;不同的头部形状对弹体弯曲变形、弹体头部侵蚀、弹体侵彻深度有着很明显的影响.     

二级抛撒火箭子母弹散布场及弹道特性分析

针对子母弹的散布场及子弹飞散过程,使用Gurney公式的修正公式计算中心药管式二级抛撒机构的径向抛撒速度。对二级子弹进行受力及运动分析,建立无旋子弹的3D弹道方程组。使用二级子弹等比例模型风洞实验测量值计算二级子弹气动力参数,为弹道及落点散布计算提供数据支持。使用VC++编写子弹弹道及落点散布程序;得出亚音速抛撒时,随着一级子弹弹道倾角的减小,单枚一级子弹的散布场向正圆变化且二级子弹的横向及射向速度迅速衰减至零,纵向速度衰减至某一值后趋于稳定,二级子弹进入稳定的垂直下降阶段。     

基于接触理论的弹体偏航机理

为了从本质上揭示弹体偏航作用机理,在已有弹塑性接触模型的基础上,运用接触理论和撞击理论,推导了接触刚度和恢复系数,建立了弹体与异形体弹塑性碰撞的宏观本构关系。进一步导出了弹体与异形体碰撞的攻角和角速度表达式,计算分析了弹头与异形体曲率半径比、弹体命中速度及入射角等因素对弹体攻角和角速度的影响规律。结果表明,异形体曲率半径越大,弹体攻角和角速度越大;弹体攻角随速度增大而减小,而角速度随速度增大而增大。     

土中弹道的试验与数值模拟研究

弹丸在侵彻自然土壤过程中很容易产生弹道失稳现象,对弹丸的侵彻与毁伤目的造成很大的影响,因此,分析弹丸侵彻自然土壤的弹道特性是十分重要的。本文通过56式枪弹和125mm弹侵彻自然土壤的试验,得到了弹丸侵彻土壤的弹道轨迹图像,并对其进行了分析研究。其中发现弹丸侵彻自然土壤时,会迅速失去姿态稳定,在土壤中产生较大空腔,并增加与土壤的接触面积,增大阻力,使弹丸速度迅速降低,影响弹丸的侵彻深度。同时,根据试验条件,利用LS-DYNA建立了计算仿真模型,获得了弹丸在侵彻过程中的姿态和运动特征。计算获得的弹丸姿态与弹道特征与试验图像比较吻合,对弹丸的速度、位移和负加速度做了分析研究,表明数值计算结果具有较高的可靠性,可以为弹丸侵彻土壤研究提供参考。     

大长细比导弹气动弹性数值计算研究

采用一体化求解非定常N-S方程、结构变形方程及角运动方程的方法,研究结构参数和质量偏心对导弹的弹性运动和角运动的影响.算例结果表明:使用动网格技术和非定常N-S方程求解器能够实现气动、结构和角运动方程的一体化求解;在高马赫数下,结构变形不大时,结构振动变形所引起的非定常气动力较小,对导弹的角运动影响不大;存在质量偏心的导弹,当转速等于角运动的振动频率时,会发生共振现象.     

球形弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应研究

为研究球形高速弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应,基于LS-DYNA有限元分析软件和光滑粒子流体动力学理论,建立经实验验证的充液油箱模型,其中将油箱模型沿弹丸速度方向的长度作为不变量,分析不同冲击速度、不同构型（球形、方形和柱形油箱）对弹丸速度衰减、液体压力变化及箱体前后壁板变形的影响。结果表明：油箱构型基本不影响弹丸速度衰减变化和液体压力变化;油箱构型对冲击波阵面的压力分布影响较小,而弹丸速度对冲击波阵面的压力分布影响较大,弹丸速度与冲击波压力峰值正相关;弹丸冲击速度较小时,球形油箱的抗毁伤能力更强,随着弹丸冲击速度的增大,不同构型油箱的抗毁伤能力趋于一致。     

典型相似结构柱壳装药殉爆响应数值模拟

为了研究相似结构柱壳装药殉爆响应的差异,选用常用于考核炸药殉爆不敏感性能的两种具有几何相似特性的典型柱壳装药结构,并采用数值模拟方法对φ60 mm和φ120 mm两种弹体的殉爆过程进行了分析.结果 表明,两种弹体壳体破裂形成的自然破片长宽比约为3.5:1,破裂前壳体壁厚与破片厚度的比值在1.5～1.75;φ60 mm弹体主发弹壳体破裂后形成尺寸较小的自然破片,被发弹发生殉爆是由于相邻多枚小破片撞击后压力叠加的结果,单枚小破片由于撞击后侧向压力波稀疏效应明显而无法起爆被发弹,增加弹间距降低了多枚小破片同时击中被发弹同一区域的概率;对于φ120 mm弹体,随着壳体厚度的增加,主发弹壳体破裂后形成尺寸较大的自然破片,单枚较大质量的破片撞击被发弹壳体的压力波汇聚效应较强,侧向稀疏区域较小,因此可以冲击起爆被发弹,增加弹间距只是降低较大质量破片击中被发弹的概率.研究结果为不敏感炸药殉爆考核的试验方法设计及结果分析提供参考.