弹丸在水介质中的运动特性仿真研究

《弹丸在水介质中的运动特性仿真研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn1弹丸在水介质中的运动特性仿真研究姚养无，曹红松，刘晓蕾，张会锁中北大学机电工程学院，山西太原（030051）E-mail：Cathy9667@tom.com摘要：枪弹在水介质中运动时，很难准确的用经典理论研究其运动规律、弹丸速度与空泡特性等相关特性。本文利用瞬态动力分析软件仿真了水介质中弹丸从开始运动到稳定时的运动规律、弹体周围空泡的形成机理，较直观的得出了弹丸在运动过程中的弹道变化规律以及弹体周围水域的压力、密度等变化特性。由仿真结果，建立了弹丸速度衰减规律的数学模型，分析弹丸运动规律。从而为今后优化水下枪弹外形设计、

2、弹道特性分析计算提供参考。关键词：水下弹丸；运动特性；流固耦合；数值仿真中图分类号：TJ411.21.引言水下枪械在水介质中发射弹丸的运动涉及到水中高速运动体的动力学问题，而且随着物体运动速度大小的不同，作用于物体的水阻力的形成机理和规律也不同。所以，物体在水介质中的受力状态和运动规律要复杂的多，很难通过解析的方法从理论上进行分析计算，多数[1]以实验方法来研究弹丸在水介质中的运动规律。目前对水下枪械发射的小截面、大长径比弹丸的动力学理论研究还较少，而利用水洞试验的方法也很难准确进行弹丸运动特性及稳定性的研究，这在一定程度上影响了水下枪械的发展。本文主要利用瞬态动力学

3、仿真软件对弹丸在水介质中的运动进行数值仿真，得出了一系列相关的压力云图和弹道变化曲线。围绕水介质弹道变化特性及空泡的形成过程等问题进行针对性研究，分析了高速运动弹体的水阻力作用规律、弹体飞行稳定性等问题。为水下弹丸的动力学仿真探索了一种有效的方法。2.水下弹丸数值仿真模型的建立2.1有限元模型的建立水下枪弹属小截面、大长径比结构，为了表现枪弹在水中的运动，水域选择25m长、5m深，水下枪弹的几何模型如图1所示，枪弹在水域中的模型如图2所示。图1水下枪弹三维实体模型图2水域及水下枪弹模型Fig1Three-dimensionalfull-scalemockFig2Wat

4、ersandunderwaterprojectilemodel-upofunderwaterprojectile数值仿真中，枪弹采用Lagrange单元描述，单元网格见图3。水介质采用欧拉网格描述，单元使用单点欧拉算法，水域网格局部图见图4。所有单元均为规则六面体单元，以使单元1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060110004）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn之间光滑过渡，单元排列整齐规则，以减少单元畸变。利用关键字*BOUNDARY_NON_REFLECTING对水域添加透射边界。图3水下枪弹的有限元模型图4水域

5、与水下枪弹的局部有限元模型Fig3FiniteelementmodelofunderwaterFig4Partialfiniteelementmodelofwatersandprojectileunderwaterprojectile2.2材料本构模型及算法选择材料模型与状态方程用来表达材料在载荷下应力应变关系等材料特性的变化，水介质选用Mie-Gruneisen状态方程，它可以精确定义水介质压缩材料的压力，Gruneisen状态方程可[2]由2种方法定义压力体积的关系，从而确定材料是压缩还是扩张。枪弹的壳体为45#钢，采用刚体模型。水域与枪弹之间通过*CONSTRA

6、INED_LAGRANGE_IN_SOLID命令定义流固耦合，通过采用ALE算法实现枪弹模型水下运动过程的数值模拟仿真计算。3.水下枪弹高速运动运动数值仿真针对以上模型，当弹丸初速为298m/s时，采用流固耦合算法进行了仿真，得到了不同时刻压力云图5、速度云图6和水密度变化云图7。从图(5-7)可知，弹丸在水介质中运动时会在弹体上产生空泡，而空泡的形成和闭合对弹丸的弹道有着重要的影响。弹体周围的低密度低压区为弹丸在水介质中运动时所形成的空泡区。从仿真结果看空泡的形成过程大致可分为空泡形成、开空泡、空泡闭合几个阶段。当弹丸开始运动后，首先产生与水的撞击作用，在紧接撞击作

7、用之后，水就被弹体带入运动状态。在这个阶段,作用于弹体上的压力远较初始运动过程小,撞击后水从弹体侧面分开，空泡开始形成，弹体进入开空泡阶段。t=62.996ust=299.95ust=859.95us-2-http://www.paper.edu.cnt=2140us图5不同时刻弹丸周围流体的压力云图Fig5Pressurenephogramoffluidaroundtheprojectileindifferenttime随着弹体向前前进，空泡进一步加长，气体从上面充到弹体后面的空腔中,形成一个大的空泡,其中部分是气体，部分是水蒸气，弹体在空泡中的运