某水下航行器观测装置接口力学性能研究

0引言

某水下航行器观测装置安装有图像声呐,可用于观测一定范围内其他水下航行器的数量及运动轨迹,并进行记录。当水下航行器以设定速度航行时,由于该观测装置凸出安装在壳体外,会产生额外水阻力,该阻力将影响航行器的航行性能。此外,观测装置安装接口未进行专门设计,而是沿用其他设备的安装接口,该接口的结构设计能否承受观测装置的水阻力需进行分析。本文使用FLUENT流体分析软件对该观测装置进行仿真计算,求解得到水下航行器最大航速下的水阻力后,再在ANSYS中建立观测装置与壳体的装配计算模型,采用面—面接触分析的方式,求解计算出接口的结构强度,分析该接口能否用于安装该观测装置。

1观测装置水阻力分析

1.1观测装置相关参数

观测装置凸出壳体外面的结构为一圆柱形,相关尺寸及流场参数如下:1)观测装置外形尺寸:高度100mm,直径φ180mm。2)流场模型参数:密度998.2 kg/m3,粘度0.001 Pa.S。

1.2 流体分析模型

本文假设装置结构周围只有有限范围的流体,数值实验表明,当流体域足够大时,这一假定的结果与假定流体为无限边界流体的结果误差应小于1%。一般情况下可以取流体区域边长为装置结构相应最大边长的5倍以上[1]。因此,建立的流场区域长2 m、宽2 m、高1 m,如图1所示。

采用“Add Frozen”方式建立观测装置结构模型,并对最终的模型划分网格。为使仿真结果更加准确,提高计算精度,对建立的流体模型划分结构化网格,最终得到的流体仿真网格模型如图1所示。观测装置表面及其附近流场的网格较密集,其他区域网格尺寸则相对较大。

1.3 流体分析设置

在流场的进口边界(inlet面),设置水流速度。为方便读取阻力值,定义观测装置与流场接触的圆柱面及其上表面为“zhuwall”。使用“k—epSlion”湍流模型计算,添加流场材料“water—liquid”。由于使用了结构化网格,压力速度耦合方法选择“SIMPLEC”,对于包含湍流或附加物理模型的复杂流动,“SIMPLEC”会提高收敛性。动量方程(对流插值)求解方式为“QUICK”,用于结构化的六面体网格具有三阶精度。

在做完流场求解器的各项设置后,需要对流场进行初始化操作,使各项设置生效,之后再进行流场的阻力分析。

1.4 流体分析结果查看

求解分析结束后,建立观测装置中间截面,查看该中间面的压力分布如图2所示。最大压力为2.7×10⁴pa，位于观测装置迎流面;最小压力为负压力I其值为-3.69×10⁴pa,位于观测装置顶面靠近迎流面处。

查看观测装置的流体阻力,选择求解结果中的“Report5”选项,速度方向与水流方向一致,本次分析为X轴方向,得到的阻力结果如图3所示。由图3可知,观测装置受到的水阻力大小约为259 N。

2观测装置接口强度分析

2.1结构选用的材料属性

壳体结构采用铝合金材料,材料属性如下:1)弹性模量:7.3×10⁴Mpa;2)泊松比:0.3;3)密度:2.78×10³kg/m³。

观测装置结构采用的是不锈钢材料,材料属性如下:1)弹性模量:2.06×105Mpa;2)泊松比:0.3;3)密度:7.85×10³kg/m³。

2.2 工况分析

观测装置在壳体上的安装方式如图4所示。

观测装置受到水阻力时,该阻力将向下传递到用于装配的圆柱结构,并使圆柱与壳体装配孔的孔面互相碰触并互切,圆柱面和孔面处于接触状态并有下列特点:1)不互相穿透;2)能够传递法向压力和切向摩擦力;3)通常不传递法向拉力。

在求解之前,不能确定接触区域,随载荷、材料、边界条件和其他因素的不同,表面之间可以接触或者分开,因此,确定该工况为典型的面-面非线性接触问题[2]。

2.3 选用的单元类型

面-面接触需建立实体模型,考虑到模型结构较复杂,用到的网格包含四面体和六面体两种,为不影响计算精度,保证求解结果的准确性,选择solid186单元。solid186是高阶3维固体结构单元,具有二次位移模式,可以更好地模拟不规则的网格模型。该单元通过20个节点来定义,每个节点有3个方向自由度,可以具有任意的空间各向异性,支持塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变能力,满足此次分析需求。

接触单元是覆盖在分析模型接触面上的一层单元,面-面接触使用的是TARGET170和CONTA170单元,分别用来模拟三维模型的目标面和接触面,两种单元均支持solid186单元,支持大滑动和摩擦的大变形,能提供更好的法向压力和摩擦应力。

2.4建立模型及划分网格

由于接触问题是一种高度非线性行为,需要占用较多的计算机资源,为进行切实有效的计算,理解问题的物理特性和建立合理的模型非常重要。因此,在建立观测装置和壳体的有限元模型时,为避免尖角或质量较差单元影响收敛和求解结果,这里对不影响受力结果或影响很小的结构特征做了简化处理,这些结构包括螺纹孔、光孔及倒角等[3]。由于结构是对称的,只需建立实际模型的一半进行分析即可,否则,计算机内存将满足不了数量庞大的单元节点导致求解终止。

建立模型后,对模型添加材料属性,壳体为铝合金,观测装置为不锈钢。观测装置为一回转体结构,可划分为六面体网格。壳体结构划分六面体网格较复杂,采用了四面体网格形式。最终得到的有限元网格如图5所示。装配孔尺寸大小为φ66 mm。

2.5创建接触对

创建接触对须在网格划分完成时进行,需判断模型在变形期间哪些地方可能发生接触,将可能接触的面通过目标单元和接触单元来定义, 目标单元和接触单元将跟踪变形阶段的运动。观测装置受到水阻力后,发生接触的是其下方的圆柱面和航行器安装孔面。

确认完可能发生接触的面后,需指定 目标面和接触面。通常情况下依据材料属性来判定,材料较柔的面指定为接触面,而材料较刚的面则为目标面[4]。由观测装置与壳体所使用的材料可知,壳体的孔面较柔一些,因此指定壳体孔面为接触面,观测装置下方的圆柱面为目标面。

接触分析还需定义材料的摩擦系数,本例中不锈钢和铝合金的摩擦系数(frictioncoefficient项)取0.17。

2.6施加边界条件及载荷

由于建立的有限元模型是实际模型的一半,在壳体和观测装置的对称面上需添加对称约束;在壳体一侧的回转壁面上约束三个方向自由度;在观测装置下方圆柱底面上约束装置上下方向(UX)和水平方向(UZ)位移,放开前后方向(UY)及水平旋转自由度(VELZ)。

将在FLUENT求解得到的观测装置水阻力施加在迎流面上,水阻力大小为259 N,假设取1.5倍的安全系数,则施加的阻力载荷约400 N,转换成迎流面的压力值约为0.023 Mpa(模型单位为mm),此外,还需在壳体外圆面施加3Mpa的压力载荷。

2.7求解并查看结果

在求解器设置中,分析类型选择静力分析(static),考虑到接触分析的非线性效应,需开启LargeDisp—lacementStatic选项;开启自动时间步长,激活二分法确保收敛功能;载荷步设置为100,即计算的第一个子步载荷将是总载荷的1/100;最大和最小子步迭代次数分别设置为1 000和10;结果文件设置成保存每个子步的计算结果;打开线性搜索选项,加快迭代计算的收敛[5]。设置完毕后,对观测装置和壳体的有限元模型进行求解。

求解结束后,查看航行器壳体安装孔结构的应力云图如图6所示,最大应力值约为177.5 Mpa,位于安装孔内表面与观测装置下圆柱接触处,该接触强度不会造成壳体安装孔的破坏 (壳体屈服强度约200 Mpa),安装孔强度完全满足使用要求。壳体其他部位的应力云图如图7所示,最大应力值为123.4 Mpa,位于相邻肋骨间的壳体部分,强度亦满足使用要求。

3 结论

本文使用流体仿真软件FLUENT,通过划分结构化网格及相关合理设置,求解得到了某水下航行器观测装置的水阻力,然后在ANSYS中建立观测装置与壳体的装配模型,并将得到的水阻力转换为压力载荷,施加在观测装置的迎流面上,采用面—面非线性接触分析的方式,求解分析出壳体安装孔结构的强度及变形量。分析求解结果可知,壳体的强度可以满足实际使用要求。样机制作完成后在实际航行试验中验证了变形趋势与实际情况相符,结构刚度亦满足使用需求,为某水下航行器和观测装置的相关结构设计和动力控制设计提供了理论参考。

[参考文献]

[1]李福正.基于Fluent的单圆柱及多圆柱绕流模拟[D].济南:山东交通学院,2015.

[2]李永祥,毕晓勤,张军顺,等.基于ANSYS的直齿面齿轮的承载接触分析[J].机械科学与技术,2009,28(7):931—935.

[3]王亚玲,刘应中,缪国平.圆柱绕流的三维数值模拟[J].上海交通大学学报,2001,35(10):1464—1468.

[4]吴忠鸣,王新云,夏巨谌,等.基于ANSYS的直齿圆锥齿轮建模及动态接触有限元分析[J].机械传动,2005,29(5):49—52.

[5]宋学官,蔡林,张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

《机电信息》2025年第20期第19篇