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导弹潜射过程主要经历出筒、水中航行及出水三个阶段。出筒阶段发射筒、适配器及弹体之间的相互作用、水中航行段水动力载荷和弹体的祸合作用及空化回射流的激励作用、出水过程中空泡溃灭载荷对弹体的冲击作用等,使其所处的载荷环境相较于陆基发射条件更为复杂严酷。目前,潜射导弹成功发射几率仍然较低,对其潜射全过程弹体载荷的分析方法和计算技术尚不成熟,如何保证弹体结构安全出水是相关工程部门提出的一个亟需解决的问题。本文针对这一问题提出潜射全过程动力学响应分析的方法,全面分析了弹筒约束、弹体结构、水动力载荷及模型试验相似关系等四方面因素对弹体横向弯曲内力的影响。论文主要工作和成果如下:
1、基于多体动力学理论,建立了刚柔混合的弹体结构—适配器—发射筒虚拟发射样机,并将仿真弹道结果与实测数据进行对比,误差小于10%,验证了虚拟样机模型的合理性。在此基础上,进一步分析了适配器模型参数中的接触刚度、预压量和配合公差对弹体出筒姿态和关键截面内力的影响,计算结果表明控制配合公差能有效地改进弹体的出筒状态。
2、分析了弹道和内力随水动力载荷变化的规律,发现出水空泡溃灭载荷是产生弹体弯曲振动的主要激励。同时分析了弹体内部装药和轴向压力对弹体横向弯曲内力的影响。
3、基于实测的水动力载荷,构建了描述其关键特征的数学模型,以利于解释和描述水动力载荷与结构响应的关系。并根据实验数据确定了该模型中的各个控制参量。进一步针对不同发射水深的水动力载荷特点,初步分析了浅水发射溃灭载荷参数和深水发射同步溃灭载荷参数对截面内力的影响程度。
4、针对潜射过程中存在流体空化现象和大位移小变形运动等问题,采用运动一弹性方法建立了弹体动力学方程,解决了结构动力学计算与流体计算的时空同步化问题,实现了直接在时域内进行潜射全过程数值模拟的流固耦合方案,并对比了有无流固耦合效应对弹体响应的影响。
5、针对模型试验中试验模型结构的动力学特性相似关系难以满足导致缩比试验数据难以直接计算原型荷载的问题,提出了一种利用缩比模型试验弹体表面测压数据计算原型弹体横向动力响应的修正计算方法。基于该算法计算得到了原型弹体的实际动力响应,并与水动力直接转化算法进行了比较,发现计算得到的弹体弯矩响应有较大差别。
最后总结了全文的研究结果并提出了下一步研究的建议。