本发明涉及航空航天领域，公开了一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，其先对弹体各部件进行网格划分；然后生成水域SPH粒子；定义弹体模型的相关参数，并配重和模态验证；定义水体SPH粒子的状态方程、材料参数；再定义弹体‑水体的耦合参数和控制参数；最后借助显式中心差分时间推进的方法，实现水体的流动变形、弹体‑水体间的相互作用以及弹体的结构变形和各部件之间传力形式的仿真求解。本发明与现有的数值模拟方法相比，较为全面的考虑了弹体内部结构的传力和变形，能快速、准确的求解弹体入水过程中不同截面的内力，为弹体的结构强度性能分析提供技术支持。
1.一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、根据弹体结构分布，对弹体各舱段进行网格划分，构建弹体全舱段的网格模型；
步骤2、根据实际工况，预估弹体水域工作段大小，建立水域实体单元网格；在每个水域实体单元网格的质心处生成SPH粒子；
步骤3、将弹体的网格模型导入到有限元求解软件中，定义弹体模型的单元厚度、材料参数、接触参数，对各舱段配重，得到所建弹体模型的质量及转动惯量；
步骤4、定义水体SPH粒子状态方程、材料参数，并初始化水域；
步骤5、定义弹体‑水体模型的耦合参数和控制参数，并根据不同工况定义弹体的初始位置及初始运动参数；
步骤6、采用显式中心差分时间推进的方法，实现弹体入水数值求解，并输出计算结果；
步骤1中，所述弹体包括外舱和内舱，外舱和内舱之间通过连接件连接；将外舱和内舱均划分为多个舱段，对所有舱段及连接件分别进行网格划分，全面建立弹体的网格模型结构；
步骤2中，根据工况需求，定义弹体水域工作段水体的长度、宽度、高度，建立水域实体单元网格，所述水域实体单元网格的尺寸与弹体外舱网格尺寸相近，在每个实体单元网格的质心处生成SPH粒子，删除原本水域实体单元网格；
步骤3中，对外舱和内舱的各舱段的质量分别进行配平，以使每一舱段的质量分布符合真实物理情况；已知每一舱段为对称式布局，配重前后质心均在弹体中轴线上，假设通过若干中轴线上的质点进行配平，于是，配平方程有：式中，n为配重点的个数；mq、mh分别为配平前后的舱段质量；xq、xh分别为配平前后舱段质心距弹体头部的长度；Iq、Ih分别为配平前后舱段绕质心在俯仰方向旋转的转动惯量；mi为第i个配重点的质量；xi为第i个配重点距弹体头部的长度；i取值范围1～n，且i为正整数；
步骤5中，根据不同工况，将弹体的初始位置移动旋转到新位置，以接近水面上方，并根据运动方程求解新位置处的弹体质心速度；已知t＝0时刻下弹体质心位置、弹体俯仰角以及质心速度，弹体未接触水面时仅受重力作用，有：式中，h0为初始工况给定弹体尾翼末端距离水面高度；ht为弹体移动旋转至目标位置后尾翼末端距离水面的高度；l为已知质心与弹体尾部的轴向距离；θ0为初始工况给定弹体的俯仰角；ω为初始工况给定弹体的俯仰角速度；g为重力加速度；v0z为初始工况给定弹体的竖直方向速度大小；t为弹体从初始位置运动到新位置所需的时间；
求解上述运动方程，得到t；根据速度转换公式求解新位置处弹体质心的速度，有：
式中，vc为新位置处弹体质心的速度矢量；v0为初始工况给定弹体的速度矢量； 为重力加速度矢量，竖直向下；
通过速度转换公式，根据质心处运动速度定义每一个舱段的初始运动状态，方法如下：
式中，vi为待求舱段i质心处的速度矢量；vc为给定弹体质心处的速度矢量；lci为已知位移矢量，方向从弹体质心指向舱段i质心，大小为弹体质心到舱段i质心的距离；ωc为给定弹体质心的角速度矢量；ωi为待求舱段i质心处的角速度矢量。
2.根据权利要求1所述的一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，其特征在于，根据不同舱段具备的内部元素对各个舱段规划配重点数量，其中，针对具有大质量大体积内部载荷的舱体，首先均布分布若干个等质量的配重点，在等效其内部载荷的质量分布后再代入方程进行其他配重点的求解；针对具有集中质量内部载荷的舱体，首先通过单个配置点，等效其内部载荷的质量后再代入方程进行其他配重点的求解。
3.根据权利要求2所述的一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，其特征在于，通过配平方程求解其他配重点，方程中未知数有mi和xi，当配重点个数越多，其未知数越多；当其他配重点个数为1时，未知数数目少于方程数，且方程组化简后各方程之间线性无关，该方程组无解；当其他配重点个数大于1时，未知数数目大于方程数，方程存在无数组解；因此为简化方程的求解流程，假设仅存在2个额外的配重点，于是根据配重点的物理性质，有不等式：式中，xt、xw分别为舱段头部、尾部截面距弹体头部的长度；由此，在满足上述不等式情况下求解配平方程；
对配重完的弹体模型进行模态计算，输出不同振型，与真实模型模态进行对比，验证配重方案的准确性。
一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空航天领域，具体涉及了一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法。
背景技术
[0002] 柔性弹体入水数值模拟方法作为弹体水面发射后入水过程强度分析的关键技术，能为弹体入水强度校核提供技术支持，是鱼雷、导弹、射弹等弹体设计的重要组成部分，在航空航天领域发挥着至关重要的作用。
[0003] 当前我国保障领海安全、维护海洋权益的紧急形势对以弹体为主的海防航空装备提出了迫切需求，跨介质入水是弹体武器装备的重要任务阶段，在这一阶段弹体撞击水面，弹体表面受到极大的冲击载荷，且随着反潜反舰作战快速稳定、高效精确打击的需求不断提高，入水冲击承载性能逐渐成为弹体装备的一项重要技术指标，因此如何快速精确的求解弹体跨介质入水过程中的运动响应及结构载荷对弹体水动力性能设计、安全性评估和优化具有重要意义。
[0004] 弹体入水指空投鱼雷、导弹、射弹等弹体结构从空气介质跨入到水介质的过程，在这一过程中产生极为复杂的气相、固相、水相三相相互作用，水气发生高速流动和混合现象，流固高度耦合，给水气、结构这类强非线性载荷的计算带来困难，且这类计算往往难以通过工程经验方法和简化理论方法进行估算，水池试验也存在人力、财力以及时间方面的局限性。
[0005] 水动力学是航空航天飞行器领域水载荷分析的基础学科，流固耦合理论是其重要组成部分，目前在弹体入水流固耦合数值模拟领域，多数弹体均具备复杂的结构形式，而公开的文献多将弹体作为一个整体进行研究，不考虑弹体内部舱室的多段连接以及各部件的连接方式，从而容易导致各关键截面剪力及弯矩计算与真实情况有所出入，不利于弹体的结构完整性分析及强度校核。
发明内容
[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，对多舱段弹体入水进行仿真分析，为弹体强度校核提供各结构部件的传力载荷以及各关键截面的截面力和弯矩，可以为弹体入水情况下的结构设计、布局优化以及分析验证提供准确度较高的载荷及应力分布，使其计算结果更贴近实际工程。
[0007] 本发明所述的一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法，步骤为：
[0008] 步骤1、根据弹体结构分布，对弹体各舱段进行网格划分，构建弹体全舱段的网格模型；
[0009] 步骤2、根据实际工况，预估弹体水域工作段大小，建立水域实体单元网格；在每个水域实体单元网格的质心处生成SPH粒子；
[0010] 步骤3、将弹体的网格模型导入到有限元求解软件中，定义弹体模型的单元厚度、材料参数、接触参数，对各舱段配重，得到所建弹体模型的质量及转动惯量；
[0011] 步骤4、定义水体SPH粒子状态方程、材料参数，并初始化水域；
[0012] 步骤5、定义弹体‑水体模型的耦合参数和控制参数，并根据不同工况定义弹体的初始位置及初始运动参数；
[0013] 步骤6、采用显式中心差分时间推进的方法，实现弹体入水数值求解，并输出计算结果。
[0014] 进一步的，步骤1中，所述弹体包括外舱和内舱，外舱和内舱之间通过连接件连接；将外舱和内舱均划分为多个舱段，对所有舱段及连接件分别进行网格划分，全面建立弹体的网格模型结构。
[0015] 进一步的，步骤2中，根据工况需求，定义弹体水域工作段水体的长度、宽度、高度，建立水域实体单元网格，所述水域立方体网格的尺寸与弹体外舱网格尺寸相近，在每个实体单元网格的质心处生成SPH粒子，删除原本水域实体单元网格。
[0016] 进一步的，步骤3中，对外舱和内舱的各舱段的质量分别进行配平，以使每一舱段的质量分布符合真实物理情况；已知每一舱段为对称式布局，配重前后质心均在弹体中轴线上，假设通过若干中轴线上的质点进行配平，于是，配平方程有：
[0017]
[0018] 式中，n为配重点的个数；mq、mh分别为配平前后的舱段质量；xq、xh分别为配平前后舱段质心距弹体头部的长度；Iq、Ih分别为配平前后舱段绕质心在俯仰方向旋转的转动惯量；mi为第i个配重点的质量；xi为第i个配重点距弹体头部的长度；i取值范围1～n，且i为正整数。
[0019] 进一步的，根据不同舱段具备的内部元素对各个舱段规划配重点数量，其中，针对具有大质量大体积内部载荷的舱体，首先均布分布若干个等质量的配重点，在等效其内部载荷的质量分布后再代入方程进行其他配重点的求解；针对具有集中质量内部载荷的舱体，首先通过单个配置点，等效其内部载荷的质量后再代入方程进行其他配重点的求解。
[0020] 进一步的，通过配平方程求解其他配重点，方程中未知数有mi和xi，当配重点个数越多，其未知数越多；当其他配重点个数为1时，未知数数目少于方程数，且方程组化简后各方程之间线性无关，该方程组无解；当其他配重点个数大于1时，未知数数目大于方程数，方程存在无数组解；因此为简化方程的求解流程，假设仅存在2个额外的配重点，于是根据配重点的物理性质，有不等式：
[0021]
[0022] 式中，xt、xw分别为舱段头部、尾部截面据弹体头部的长度；由此，在满足上述不等式情况下求解配平方程；
[0023] 对配重完的弹体模型进行模态计算，输出不同振型，与真实模型模态进行对比，验证配重方案的准确性。
[0024] 进一步的，步骤5中，根据不同工况，将弹体的初始位置移动旋转到新位置，以接近水面上方，并根据运动方程求解新位置处的弹体质心速度；已知t＝0时刻下弹体质心位置、弹体俯仰角以及质心速度，弹体未接触水面时仅受重力作用，有：
[0025]
[0026] 式中，h0为初始工况给定弹体尾翼末端距离水面高度；ht为弹体移动旋转至目标位置后尾翼末端距离水面的高度；l为已知质心与弹体尾部的轴向距离；θ0为初始工况给定弹体的俯仰角；ω为初始工况给定弹体的俯仰角速度；g为重力加速度；v0z为初始工况给定弹体的竖直方向速度大小；t为弹体从初始位置运动到新位置所需的时间；
[0027] 求解上述方程，得到t；根据速度方程求解新位置处弹体质心的速度，有：
[0028]
[0029] 式中，vc为新位置处弹体质心的速度矢量；v0为初始工况给定弹体的速度矢量；为重力加速度矢量，竖直向下；
[0030] 通过速度转换公式，根据质心处运动速度定义每一个舱段的初始运动状态，方法如下：
[0031]
[0032] 式中，vi为待求舱段i质心处的速度矢量；vc为给定弹体质心处的速度矢量；lci为已知位移矢量，方向从弹体质心指向舱段i质心，大小为弹体质心到舱段i质心的距离；ωc为给定弹体质心的角速度矢量；ωi为待求舱段i质心处的角速度矢量。
[0033] 本发明所述的有益效果为：本发明针对具有复杂结构形式的弹体模型，建立了一种考虑柔性弹体多舱段连接的弹体入水数值模拟方法；该方法提出了一种弹体内舱、外舱、连接件的FEM建模方式，并结合工程实际背景，通过SPH‑FEM的流固耦合方法，求解了弹体入水过程；与现有的弹体入水数值模拟方法相比，该方法具备能综合考虑弹体内舱、外舱、加强筋以及各连接件的传力和变形，配平也是目前柔性弹体数值仿真容易忽视的一点，能更为准确的求解弹体入水过程中各截面的内力的优点，从而为实际工程中弹体的结构强度性能分析提供技术支持。
附图说明
[0034] 图1是本发明所述实施例的多舱段弹体外形及结构示意图；
[0035] 图2是本发明的基于SPH方法的多舱段柔性弹体入水数值模拟方法流程图；
[0036] 图3是本发明的弹体内弹网格示意图以及配重点分布示意图；
[0037] 图4是本发明的俯仰角45度工况下弹体入水初始时刻示意图；
[0038] 图5是本发明的俯仰角45度工况下弹体撞击水面示意图；
[0039] 图6是本发明的俯仰角45度工况下内弹某截面时历受力示意图；
[0040] 图7是本发明的俯仰角45度工况下受载最大时内弹应力云图；
[0041] 图8是本发明的俯仰角45度工况下弹体建模与目前单一整体建模入水弯矩对比示意图；
[0042] 其中，1‑内舱，2‑外舱，1‑1‑支撑块Ⅰ、2‑2‑套筒式支撑滑块、3‑3‑支撑块Ⅱ、4‑4‑剪切销。
具体实施方式
[0043] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0044] 如图2所示，本发明所述的一种基于SPH‑FE方法的多舱段柔性弹体入水数值模拟方法，步骤为：
[0045] 步骤1，分析弹体结构形式，以图1给出的一弹体为例；图1中某一复杂弹体分为外舱和内舱两个部分，其外舱有5个舱段，并在尾舱段上附有4个尾翼；内舱有8个舱段，其中弹药舱和油舱分布在不同舱段中；内舱外舱通过支撑块Ⅰ1‑1、2‑2、支撑块Ⅱ3‑3、剪切销4‑4四个部位处的连接件相互承接；内舱各舱段有局部径向及周向加强筋。因本发明并非对某一弹体的结构改进，因此，在此对弹体结构不做详细表述，仅以此为例在后文中说明是对弹体分多舱段进行建模进而进行后续步骤。
[0046] 对上述弹体的内舱、外舱等多舱段舱体及加强筋、剪切销、支撑块等连接件进行网格划分。其中内舱、外舱、加强筋网格采用壳单元，相邻舱段间网格一致；支撑块、剪切销采用实体单元，其尺寸与连接件和舱体的连接处网格尺寸相近。
[0047] 步骤2，根据工况需求，定义水体长度、宽度、高度，并建立水域实体单元网格，水域网格与弹体外舱网格尺寸相近；在每个实体网格的质心处生成SPH粒子，删除原本水体网格。先建立水体实体网格的目的，是为了保证建立粒子的连续性和光滑性，同时能更加直观的保证SPH粒子间隔与弹体网格尺寸相近。
[0048] 步骤3，将网格模型导入到有限元求解软件当中，定义弹体模型的单元厚度、材料参数、接触参数。
[0049] 对各舱段的质量进行配平，以使每一舱段的质量分布符合真实物理情况，已知每一舱段为对称式布局，配重前后质心均在弹体中轴线上，可假设通过若干中轴线上的质点进行配平，于是，配平方程有：
[0050]
[0051] 式中，mq、mh分别为配平前后的舱段质量；xq、xh分别为配平前后舱段质心距弹体头部的长度；Iq、Ih分别为配平前后舱段绕质心在俯仰方向旋转的转动惯量；mi为配重点i的质量；xi为配重点i距弹体头部的长度。
[0052] 根据各段舱体内部元素决定配重点数量。针对油舱、弹舱这类具有大质量大体积内部载荷的舱体，首先均布分布若干个等质量的配重点，在等效油、弹的质量分布后再代入方程进行其他配重点的求解；以；针对发动机这类具有集中质量内部载荷的舱体，首先通过单个配置点，等效其质量后再代入方程进行其他配重点的求解。
[0053] 通过配平方程求解其他配重点，方程中未知数有mi和xi，当配重点个数越多，其未知数越多。当其他配重点个数为1时，未知数数目少于方程数，方程极大可能无解。其他配重点个数大于1时，未知数数目大于方程数，方程存在无数组解。因此为简化方程的求解流程，假设仅存在2个额外的配重点，于是根据配重点的物理性质，有不等式：
[0054]
[0055] 式中，xt、xw分别为舱段头部、尾部截面据弹体头部的长度。由此，在满足上述不等式情况下求解配平方程。
[0056] 最终，对配重完的弹体模型进行模态计算，输出不同振型，与真实模型模态进行对比，验证配重方案的准确性。
[0057] 步骤4，定义水体SPH粒子的状态方程、材料参数、边界条件，并初始化水域；
[0058] 步骤5，定义弹体‑水体流固耦合模型的耦合参数和控制参数。
[0059] 根据不同工况，将弹体的初始位置移动旋转到新位置，以接近水面上方，提高计算效率，并根据运动方程求解新位置处的弹体质心速度，已知初始位置弹体质心处初速度为，弹体未接触水面时仅受重力作用，有：
[0060]
[0061] 式中，h0为初始工况给定弹体尾翼末端距离水面高度；ht为弹体移动旋转至目标位置后尾翼末端距离水面的高度；l为已知质心与弹体尾部的轴向距离；θ0为初始工况给定弹体的俯仰角；ω为初始工况给定弹体的俯仰角速度；g为重力加速度；v0z为初始工况给定弹体的竖直方向速度大小；t为弹体从初始位置运动到新位置所需的时间。
[0062] 求解上述方程，得到t，根据速度方程求解新位置处弹体质心的速度，有：
[0063]
[0064] 式中，vc为新位置处弹体质心的速度矢量；v0为初始工况给定弹体的速度矢量。
[0065] 进一步，通过速度转换公式，根据质心处运动速度定义每一个舱段的初始运动状态，方法如下：
[0066]
[0067] 式中，vi为待求舱段i质心处的速度矢量；vc为给定弹体质心处的速度矢量；lci为已知位移矢量，方向从弹体质心指向舱段i质心，大小为弹体质心到舱段i质心的距离；ωc为给定弹体质心的角速度矢量；ωi为待求舱段i质心处的角速度矢量。
[0068] 步骤6，借助显式中心差分时间推进的方法，实现弹体入水的仿真求解，并输出水体的流动变形、弹体‑水体间的相互作用以及弹体的结构变形和内部各部件之间传力形式等结果。
[0069] 实施例1
[0070] 以某型弹体45度俯仰角入水为例，弹体网格划分共计25380单元，其中，内弹、外舱、加强筋采用壳单元，外舱单元尺寸0.056m，内弹及配重点如图3所示，内弹单元尺寸0.024m，尾翼细分单元尺寸为0.005m，剪切销、滑块、支撑块采用实体六面体网格，其中剪切销单元尺寸0.005m，滑块以及支撑块单元尺寸0.01m，30个配重点分布在各舱段中轴线上；
水体共计88641个粒子，粒子间距0.06m。仿真初始状态和仿真结果分别如图4、图5所示，弹体尾翼先掠过水面，随后与水体接触，尾翼部分水花飞溅，水体产生较大的流动现象，并且在水体对尾翼的作用力下产生低头力矩，弹体低头拍在水面上。图6给出内弹某关键截面处的截面力时历曲线，在0.53s时刻附近，此截面的轴向力、剪力、扭矩以及弯矩都达到最大值；图7给出0.53s时刻的内弹应力云图，可以看出内弹剪切销部位、尾舱台阶处以及前弹身段上方产生较大应力。图8给出将弹体作为单一整体建模与本发明考虑柔性弹体多舱段连接的弹体建模入水弯矩计算结果对比，可以看出，当将弹体作为一整体建模时，无法考虑弹体内部及各舱段传力所带来的相互作用，内力分布存在较大差异，从而导致某关键截面处的截面弯矩计算结果偏大，不利于工程弹体的结构强度性能分析；而本发明所述的方法综合考虑弹体内舱、外舱、加强筋以及各连接件的传力和变形，对各舱段进行配平，更为准确的求解弹体入水过程中各截面的内力，从而为实际工程中弹体的结构强度性能分析提供技术支持，适合绝大多数弹体结构。
[0071] 以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。
