折叠尾翼展开水动力载荷与展开规律分析

刘 曜， 李文立， 李治涛

（1.中国船舶集团有限公司第713 研究所， 河南郑州 450015； 2.河南水下智能装备实验室， 河南郑州 450015；3.海军装备部重大专项装备项目管理中心， 北京 100071）

0 引言

某水下航行体为适配水平鱼雷发射管、 具有一定的爬升力矩和纵向稳定性， 水下航行体尾翼采用了折叠式结构。水下航行体尾翼折叠合抱后装入发射管，当水下航行体发射以一定速度离开发射管一定距离后， 尾翼固定机构解锁， 同时在流体作用在翼舵上的力和转轴扭簧力矩的共同作用，合抱状态的尾翼迅速展开至到位并锁定。

某水下航行体水下航行时是是处于无动力上浮状态，其横滚通道抗干扰能力最弱。 为提高其抗横滚特性，水下航行体采用了折叠尾翼技术， 以适应与潜艇雷弹发射装置结构匹配的需要和水下弹道稳定性的需要。 折叠尾翼展开过程的同步性， 对某水下航行体弹道稳定性和出水姿态指标起着至关重要的作用。

尾翼展开过程规律是评估水下航行体初始水弹道性能的重要特性参数， 在一定程度上它影响到水下航行体水中弹道的稳定性和安全性。同时，尾翼在极短时间内展开到位所引起的冲击载荷， 也是对尾部壳体结构强度的严重考验。因此，有必要对折叠尾翼展开过程尾翼所受流体载荷及其展开规律特性进行计算研究。

1 折叠尾翼组成与展开过程

1.1 折叠尾翼组成与展开

如图1 所示， 水下航行体的尾翼由斜翼和水平翼构成，在水平翼上安装有可动舵板。 斜翼由固定部分和活动部分形成。 固定部分的斜翼与尾部壳体是铸造在一起的，而活动斜翼与水平翼是铸造在一起的。 活动斜翼与固定斜翼通过转轴而连接。 转轴设计为扭力杆型式（起到扭簧的作用），提供尾翼展开的初始启动力矩。

图1 水下航行体折叠尾翼组成与展开过程示意图

1.2 展开过程流体力工程估算方法

由于折叠尾翼的形状和运动的过程都是很复杂的，因此要精确计算流体作用在其上的力和力矩比较困难，初步设计时可采用工程估算的方法：将尾翼分为斜翼、水平翼和舵三个部分， 假定力的作用点分别都在它们的形心上， 并分别采用形心上的流体质点相对尾翼的速度矢量为流体对斜翼、水平翼和舵的绕流速度。 这样一来，由于水下航行体主体的航行运动及尾翼本身的展开运动，使得流经尾翼上的流体在斜翼、 水平翼和舵上产生了攻角，它们分别是：

式中：δ—舵角；n12—符号系数；u、v、w 分别为水下航行体质心处的速度在弹体系上的三个速度分量；p、q、r 分别为水下航行体角速度矢量在弹体系上的三个分量，β0为固定斜翼叉角；xc、yc、zc分别为水下航行体重心在弹体系上的三个坐标值。

因流经斜翼、水平翼和舵上的流动存在一个攻角，所以流体作用在其上就有一个法向力， 这个法向力可以促进或者阻止尾翼的展开。

因尾翼处在水下航行体主体运动所形成的尾流场中，尾流流线向内收缩，也会产生一个附加攻角。 本文在估算尾流场时，不考虑尾翼且水下航行体主体攻角为零。尾流场速度矢量用速度模｜和尾流倾角θw来表征。斜翼和水平翼（包括舵）的质心都处在同一个尾流断面上，所以尾流场速度仅仅是径向距离Rm的函数，见图2。

图2 尾流场速度矢量

尾流倾角θw使流体在尾翼上产生一个促使其合拢（阻止展开） 的力矩。这个力矩随着θw增大而减小。在水平翼、舵、斜翼上的攻角分别是

式中：εw—尾流因子；L1—水平翼半宽；L2—水平翼形心到水下航行体主体纵轴的距离；L3—斜翼和水平翼交线与水下航行体轴的距离；L4—斜翼形心到水下航行体主体纵轴的距离；L5—斜翼半宽；L6—斜翼和固定斜翼交线与水下航行体轴的距离。

流体对斜翼、水平翼和舵的实际绕流攻角分别则为

于是流体作用在斜翼、水平翼和舵上的法向动力为

将Fnq、Fnh、Fnr对转轴取矩，可得到作用在尾翼上的流体动力对转轴产生的力矩：

式中：mq'—斜翼的剩质量 （减去浮力后的质量）；mhr'—水平翼和舵的剩质量之和。

进一步优化设计时， 需要采用流体力学仿真软件对尾翼展开力、 力矩进行流场仿真计算。 本文使用ANSYS FLOTRAN 软件模拟计算折叠尾翼展开过程中若干时刻的流场，得到各个时刻流场下尾翼表面的压力分布，进一步计算出流体作用在折叠尾翼上的力和力矩 （包括动力和阻力）。

2 基于ANSYS FLOTRAN 的尾翼展开过程建模

2.1 尾翼展开过程受力分析

折叠尾翼在展开过程中，主要受到四个力的作用：重力Fg、浮力Ff、流体动力Fd和流体阻力Rf，而扭力杆的力矩只在尾翼展开启动的一瞬间起作用。 设重力Fg、 浮力Ff、 流体动力Fd和流体阻力Rf对转轴的力矩分别为Mg、Mf、Md和MR， 尾翼和其上的附加水质量对转轴的转动惯量分别为J 和Jf，尾翼的展开角为θ（29°～135°之间，参见图3），则尾翼的展开运动方程为：

图3 尾翼展开角和舵角

Mg、Mf、Md和MR都随着θ 的变化而变化。 Mg与Mf可合在一起考虑，只须将尾翼的材料密度减去水的密度。尾翼重力的作用点近似在其形心上， 使用UG 建立尾翼的模型算出其体积V 和形心的位置（参见图4），则通过运算可得重力、浮力对转轴的合力矩为：

图4 尾翼的形心

2.2 尾翼展开过程分析

将尾翼展开角分成若干区间：θ0～θ1，θ1～θ2…θi-1～θi，…θn-1～θn，设尾翼在每个区间都以该区间的起始时刻的速度和加速度做匀加速直线运动， 经过每个区间所用的时间分别为t1，t2，…ti，…tn。 使用ANSYS FLOTRAN 计算每个时刻尾翼所受的流体动力矩Md，则计算流程如下：

（1）i=1 时

（2）i≥2 时

根据使用ANSYS 计算θi-1～θi区间内尾翼所受的流体阻力矩MRi

2.3 流场力的计算

2.3.1 计算尾翼展开流体动力

为了计算流体对尾翼的动力， 对折叠尾翼做适当的工程简化：首先将舵和翼合并为一个整体，其次去掉转轴部分，最后将翼边缘的小平面和圆角等细小特征去掉。水下航行体在水中水平运动时， 迎流场经过水下航行体头部端面1000mm 即恢复为前方来流且基本保持到距尾端面1500mm 的截面位置处， 因此水下航行体的尾流场可以从距尾端面1500mm 处算起。

根据以上分析建立模型如图5 所示。 因为尾部结构外形左右对称， 故取一半进行计算。 以FLOTRAN142 单元划分四面体单元，并在尾翼表面进行细化。

图5 尾翼流体动力计算模型

2.3.2 计算尾翼展开流体阻力的模型

折叠尾翼在极短的时间内展开到位， 必然受到较大的阻力。为了计算某时刻的阻力，假设尾翼以该时刻的角速度ω 绕转轴在流体中旋转， 计算其所受的阻力作为该时刻尾翼所受的阻力。为便于加载，将尾翼固定不动而让流体以-ω 绕尾翼转轴流动（参见图6）。据此建立模型，并将出口延长一段以便计算容易收敛。

图6 尾翼阻力计算模型

以FLOTRAN142 单元划分四面体单元， 并在尾翼表面进行细化。

3 仿真结果与分析

3.1 流体动力仿真结果与分析

根据以上方法， 计算尾翼展开到位时所受的流体动力和ω=100°/s 时的流体阻力，结果如图7～图10 所示。

图7 尾翼展开到位时的流场

图8 尾翼展开到位时流场在尾翼表面的载荷分布

图9 ω＝100°/s 时的阻力流场

图10 ω＝100°/s 时阻力流场在尾翼表面的载荷分布

可以看出， 在展开动力流场中尾翼所受的最大载荷在前部边缘， 而在阻力流场中最大载荷在斜翼下表面靠后的地方。 利用ANSYS 的后处理可以方便的获得尾翼所受的流体力对转轴的转距： 展开到位时的动力矩Mde=450Nm，ω=100°/s 时的阻力矩为MR100=7Nm。

3.2 尾翼展开过程仿真结果与分析

针对水下航行体在航速17m/s 与舵角-17°（舵角上打为负）的情况下折叠尾翼（铝质）的展开运动规律进行仿真， 仿真结果如图11～12 所示。 由于尾翼展开速度较快，阻力很快增大到与展开动力基本一致，因此尾翼经过一个短暂的加速段后加速度急剧减小， 大致以匀速完成剩余的展开过程。 尾翼展开的过程共耗时0.166s，与试验测量结果（0.18s 左右）比较符合。

图11 尾翼流体力矩曲线

3.3 水池拖车试验测量尾翼展开规律

图13 所示为水池拖车试验测量的尾翼展开规律。试验中采用与水下航行体比例为1∶1 的模型， 舵角-17o，将模型刚性地固定在拖车上， 拖车在水池中做8m/s 的匀速运动。 图12 与图13 对比可以看出，计算与测量的尾翼展开角曲线趋势基本一致， 而计算的速度变化曲线相对缓慢些，这是因为拖车的速度较小的缘故。 如果将图12（b）中的速度上升段放大如图14 所示，则它与图13（b）也较为相似。因此，本文水下航行体尾翼展开过程载荷计算方法是可行的，展开规律特性是与实际情况相符的。

图12 尾翼展开运动规律

图13 水池拖车试验尾翼展开规律测量结果

图14 尾翼展开角速度上升段

4 结论

本文以ANSYS FLOTRAN 为工具， 对某水下航行体折叠尾翼展开过程中的外流场进行数值仿真计算， 获得不同时刻尾部流体载荷分布。 利用载荷仿真结果对尾翼的展开特性进行了计算分析并在拖曳进行了试验测量。根据以上仿真和试验测量结果分析得到以下结论：

（1）与试验结果对比，数值分析与试验测量的尾翼展开结果基本一致根据。

（2）本文采用的以ANSYS FLOTRAN 为工具，对某水下航行体折叠尾翼展开过程中的外流场进行数值仿真计算，然后利用载荷对尾翼展开特性进行计算的方法可行，具有工程指导意义。