基于流固耦合算法的球底结构物垂直入水冲击载荷研究

【摘要】结构物入水是一类复杂的流固耦合问题，为了研究影响入水冲击载荷的各项参数，通过MSC.Dytran对典型球底结构物垂直入水问题建立仿真模型，预载5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s的初速度，并通过改变密度来设置不同的负载工况，计算了结构物的入水冲击载荷，并总结了入水速度和负载对冲击载荷的影响规律。

【关键词】流固耦合；冲击载荷；垂直入水；Dytran

随着科技的发展，越来越多的工程问题不再仅仅是单相的力学问题，爆炸、穿甲、航天器的返回、水上飞机的降落等等，这些都是研究变形固体在流场作用下的各种行为，以及固形对流场影响这二者间的相互作用，也就是流固耦合问题。

现今已有较多对平底结构物以及平板垂直入水问题的仿真和实验研究，但对于这类复杂的瞬态问题研究，仍然没有一个统一而实际的公式。球底结构物入水问题是应用比较广泛的一类，鱼雷的入水、海上救生艇抛落等都是典型的流固耦合在球底结构物入水问题中的应用。[1-4]

下面通过MSC.Dytran软件对球底结构物入水问题进行仿真计算。

1、球底结构物仿真模型的建立

选取胶囊状球底舱体模型，中间为6m长圆柱，两端为直径2m的半球壳体，厚度11mm。

建立拉格朗日域（舱体），划分舱体单元数为221个，节点数为337个。舱体载重通过换算成舱体密度进行预载，舱体材料模型选用见表1：

欧拉域建立空气层和水层，空气层节点数5184个，单元数3468个，水域节点数23328，单元数19652。

欧拉域空气层选用IdeaGas（DMAT）模型，密度为1.2kg/m3，Gamma系数为1.4，单位质量内能211041J/kg；水层选用LinFluid（DMAT）模型，密度为1000kg/m3，体积弹性模量为2.2Gpa，单位质量内能为83950J/kg，单元类型选用六面体单元Hex8。

划分网格后如图1。

2、计算结果及分析

2.1入水速度对舱体冲击载荷的影响

对舱体预载系列初速度5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s。通过输出耦合面的压力峰值来研究速度对入水冲击载荷的影响规律。计算结果见图2。

通过计算结果可以发现，舱体冲击压力随入水速度的增加而增加。

2.2舱体负载对入水冲击载荷的影响

通过改变舱体密度，以改变舱体负载情况。分别设置舱体密度为15200kg/m3、19000kg/m3、22900kg/m3。分别预载不同的初速度，计算结果见图3。

通过图3可以发现，舱体负载的增加会导致入水冲击载荷的增加，但幅度不如速度增加引起的效果明显。但入水速度的增加，能够加大舱体负载对入水冲击载荷的增长幅度。

3、结束语

通过运用MSC.Dytran对球底结构物入水问题进行的仿真计算，得出不同初速度，不同负载状况下的舱体入水冲击载荷状况，并获得如下结论：

1、入水速度和舱体负载的增加都会导致舱体入水冲击载荷的增加。

2、入水速度的增加，能够加大舱体负载对入水冲击载荷的增长幅度。

参考文献

[1]赵衡平等编著.《公路桥梁伸缩装置设计指南》.北京：2011.

[2]JT/T 327-2004《公路桥梁伸缩装置》，2004.

[3]傅明源编著.《聚氨酯弹性体及其应用（第三版）》.化学工业出版社，2006.