基于壓力測量的水中運動體載荷分析*

(91550部隊91分隊 大連 116023)

基于壓力測量的水中運動體載荷分析*

李玉龍李京浩劉國棟

(91550部隊91分隊 大連 116023)

論文論述了水中運動體載荷分析的基本技術途徑,提出了基于壓力測量的水中運動體載荷分析方法,給出了軸向載荷與橫向載荷的計算過程。采用實驗獲取的水中運動體表面壓力數據,計算得到了運動體各截面的載荷分布情況,分析結果證實了方法的有效性。

水中運動體;壓力測量;載荷分析

ClassNumberV215.3

1 引言

運動體在水中垂直運動及穿越自由水面所遇到的載荷分析問題,在航天、船舶等領域廣泛存在。很多文章探討了水中運動體的水動力仿真計算問題,關注于如何獲取復雜流體動力數據[1～2]。高速運動會使水中運動體周圍產生空化效應,穿越水面會產生復雜的空泡潰滅壓力,運用數值模擬技術難以獲得滿意的水動力分析結果。通過實驗技術獲取水動力數據是有效地解決問題的方法,可以避開復雜的空化效應及復雜的水動力學計算難題[3]。

獲取實驗數據后的水中運動體載荷分析有多種技術途徑, 1)依托靜力理論,忽略結構本身的振動、變形性質,不考慮結構的振動特性,這雖然與實際不完全相符,但由于這一理論應用非常簡便,在一定條件下還是能夠解決大量工程實際問題的,尤其是在剛性較好的運動體載荷分析領域,所以目前工程實際中還使用這一理論[4～5]。2)利用動響應數據進行載荷辨識,根據動響應數據識別載荷的方法,對運動體振動參數進行兩次積分,得到幾何位移。3)采用結構動力理論進行結算,即應用有限元方法及相關計算軟件,結合動力理論開展載荷計算,這在航天、船舶結構分析中正日益得到應用,但考慮結構振動特性的動載荷計算方法要比靜力問題復雜得多。四是通過動態(tài)載荷傳感器直接測量,但目前該項技術還不夠成熟,能夠獲取的數據量也比較有限[6]。

本文給出了基于壓力測量的水中運動體載荷的基本分析過程,即通過實驗獲取水動力數據,根據流體空化效應的實際特點,采用靜力理論有針對性地進行載荷計算,這樣既可以避開復雜的流固耦合分析和空泡潰滅壓力計算問題,又能在一定程度上滿足工程分析需求,達到較為快速地掌握載荷情況的基本目的。

2 載荷分析方法

水中運動體所受載荷主要包括軸向載荷和橫向載荷,軸向載荷主要指軸向力,而橫向載荷主要指剪力和彎矩。在船舶工程中的靜力載荷計算時使用的是切片法,切片法實際上就是把船體沿長度方向分成若干切片,求出船體在各切片上的流體動力,再求得作用在整個船體上的載荷。工程上具體運用切片理論進行載荷計算的普遍做法是采取逐段累加的模式,先分析第一段,從而獲得第一個截面的載荷,之后把第一段和第二段作為一個整體進行分析,計算第二個截面載荷,依此類推向后計算[7]。

運動體在水中高速運動會產生空泡,空泡內是低于標準大氣壓的空氣,空泡外是水體。空化區(qū)內的附加質量幾乎為零,可以只計算非空化區(qū)的附加質量。根據空化區(qū)附加質量的這一實際特點,可將逐步累加的模式調整為分段計算的辦法,即先分析第一段,獲得第一個截面的載荷,再用第一個截面的載荷計算結果對第二段獨立進行計算,從而獲得第二個截面的載荷,依此類推向后逐段獨立計算[8～9]。

在計算運動體載荷時,首先根據其結構和質量分布將其沿軸向分成若干段,將各截面編號為i=1,2…,同時也作為該分段的編號,運動體分段情況及坐標系定義如圖1所示。分段以后,作用在運動體的外力和質量力亦相應分段,并一一對應地作用于這些分段上,從而可以進一步計算各段的軸向力T、剪力Q以及彎矩M。

圖1 水中運動體分段及坐標系定義示意圖

2.1 軸向載荷

首先計算水中運動體的軸向載荷,以首段為例,其軸向受力情況如圖2所示。水中高速豎直向上運動,姿態(tài)角變化可忽略不計,但在計算橫向載荷時角加速度需要考慮。各分段的軸向動力學方程為

(1)

其中PTi為分段i表面壓力的軸向分量,Gi為分段i所受重力,Ti為截面i所受軸向力,mi為分段i的質量,λ11i為分段i的附加質量,ax為運動體沿x軸方向加速度[10]。

水中運動體的附加質量可用二元切片法進行估算,其表達式為

(2)

其中μx為附加質量因數,對于軸對稱體一般可取μx=0.02～0.04;ρ為運動體周圍流體介質密度;Li為運動體分段i的長度;D(x)為x點處的運動體直徑。

圖2 分段軸向受力示意圖

圖3 分段橫向受力示意圖

2.2 橫向載荷

以運動體柱段某一段為例,其橫向受力情況如圖3所示。該分段在橫向的慣性力分平動和轉動兩部分,其動力學方程為

Qi-Qi-1-PQi=(mi+λ22i)ay-mi(xi-xG)β

(3)

其中Qi為截面i所受剪力,PQi為分段i表面壓力的橫向分量,mi為分段i的質量,λ22i為分段i的附加質量,ay為運動體的橫向加速度,β為運動體的俯仰角加速度,xG為運動體質心軸向坐標,xi為分段i質心軸向坐標[11]。

水中運動體的附加質量λ22i表達式為

(4)

其中μy為附加質量因數,可取μy=0.95～0.98。

截面i的彎矩表達式為

(5)

其中Δxj是每段質心的軸向坐標的增量。

3 典型算例

運動體在水中運動過程中的流體環(huán)境具有高動壓、非定常及多相介質的特點,其水動力環(huán)境和表面壓力分布非常復雜,因而,光靠數值分析計算來研究實際流動過程難以取得滿意效果。通過水中動力學實驗真實地模擬運動體在水中的運動過程,獲得其表面動態(tài)壓力數據,是水中運動體水動力和載荷分析的重要手段。實驗使用的運動體模型長10m、直徑1.5m,在表面安裝壓力傳感器以測量動態(tài)壓力。根據分析需要,傳感器分布疏密程度不同。在各個截面上,因運動體存在空化區(qū)域,壓力分布比較復雜,相應位置安裝傳感器較多,而其他部分相對較少。

通過水中動力學實驗,獲得了不同時刻表面壓力沿運動體軸向分布曲線如圖4所示。從圖中可以看出,在其肩部有一段明顯的壓降區(qū)域,說明在該區(qū)域存在空化現象。隨著運動體上升,空化區(qū)域逐漸變大。通過運動體表面壓力分布,可以對空化現象進行分析和研究,對運動體的水動力和載荷分析具有重要意義。

圖4 運動體軸向測點壓力變化曲線

圖5 軸向力沿軸向分布曲線

圖6 剪力沿軸向分布曲線

圖7 彎矩沿軸向分布曲線

計算得到運動體首段觸水時刻的軸向力曲線如圖5所示,首段因受到水動力作用軸向力逐漸增大,而到了中段各個截面的軸向力逐漸變小。剪力曲線如圖6所示,沿軸向,剪力先增大后變小,在運動體質心附近某一點變?yōu)榱?該點前后剪力方向相反。彎矩曲線如圖7所示,截面的彎矩先增大后變小,在首部和尾部幾乎為零。計算結果所反應的物理規(guī)律符合水中運動體的實際動力學過程。

4 結語

本文論述了水中運動體載荷分析的基本技術途徑,提出了基于壓力測量的水中運動體載荷分析方法,給出了軸向載荷與橫向載荷的計算過程。即通過實驗獲取水動力數據,根據流體空化效應的實際特點,采用靜力理論有針對性地進行載荷計算,這樣既可以避開復雜的流固耦合分析和空泡潰滅壓力模擬計算問題,又能在一定程度上滿足工程分析需求。結合典型算例分析,采用實驗獲取的水中運動體表面壓力數據,計算得到了運動體各截面的載荷分布情況,分析結果證實了方法的有效性。水中運動體載荷分析是非常復雜的系統(tǒng)工程,文中提出的方法尚有一定的適用條件,具體實施工程計算時還應根據實際物理過程進行適應性的調整和改進。

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LoadAnalysisofUnderwaterMovingBodyBasedonPressureMeasurement

LI Yulong LI Jinghao LIU Guodong

(Unit 91, No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

Basic methods of load analysis of underwater moving body are discussed. Load analysis of underwater moving body based on pressure measurement is presented. Calculation process of coaxial load and lateral load is given. The load distribution is acquired by using the test pressure data on surface of underwater moving body. Analytical result verifies the availability of the method.

underwater moving body, pressure measurement, load analysis

2013年11月1日,

:2013年12月15日

李玉龍,男,碩士,高級工程師,研究方向:結構動力分析。李京浩,男,博士,工程師,研究方向:載荷計算。劉國棟,男,碩士,工程師,研究方向:結構仿真計算。

V215.3DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.036