Численное исследование гибких ограждений амфибийных судов на воздушной подушке с учетом аэрогидроупругих эффектов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 337-338

УДК 629.576:532.5:539.3:519.673

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИБКИХ ОГРАЖДЕНИЙ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С УЧЕТОМ АЭРОГИДРОУПРУГИХ ЭФФЕКТОВ

© 2011 г. А.В. Туманин, П.С. Кальясов

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

atumanin@gmail .сот

Поступила в редакцию 16.05.2011

Представлены результаты математического моделирования гибких ограждений (ГО) баллонетного типа амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП) с учетом аэрогидроупругих эффектов. Изложена методика расчетного определения формы, параметров сопротивления движению ГО баллонетного типа, применяемого в настоящее время на АСВП. Результаты расчетов, проведенных по разработанной методике, сопоставлены с результатами физических экспериментов.

Ключевые слова: амфибийное судно на воздушной подушке, гибкое ограждение, аэрогидродинамические нагрузки, деформированная поверхность, численное исследование.

Аэрогидроупругая задача ГО АСВП

Гибкое охлаждение (ГО) баллонетного типа амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП) является, по существу, надувным ске-гом, состоящим из двух ярусов, соединенных между собой креплением типа ликпаз-ликтрос. Каждый ярус скега представляет собой оболо-чечную конструкцию, которая принимает под действием внутреннего давления цилиндрическую форму с конусообразными законцов-ками. Материал ГО — газонепроницаемая ткань на основе поливинилхорида (ПВХ) с добавкой полиуретана и армированная полиэстером. Материал является ортотропным, с укладкой нитей основы и утка под углом 90о. Необходимые характеристики для использования в кэнечно-эле-ментной модели определяются экспериментальным путем.

Скеги АСВП испытывают внешние аэродинамические нагрузки от воздушной подушки (ВП) и набегающего потока, а также динамические нагрузки, зависящие от вида опорной поверхности, по которой движется судно (например, водная поверхность, лед, бетон и т.д.). Кроме того, давление воздуха в ярусах скега при действии внешних нагрузок зависит от текущего объема яруса, причем эта зависимость более выражена с уменьшением начального давления воздуха в ярусе.

Форма яруса скега, как гибкой конструкции, зависит от действующих нагрузок, и, наоборот, действующие нагрузки зависят от формы гибкого скега. Поэтому задача определения формы

ГО является задачей аэрогидроупругости.

Для численного решения задачи аэрогидроупругости применяется разделенный метод решения, при котором соотношения для деформируемого тела резрешаются в пакете вычислительной механики ANSYS Mechanical, а соотношения для жидкости — в пакете вычислительной гидрогазодинамики ANSYS-CFX. В алгоритме разделенного решения различные решатели вызываются последовательно для жидкости и твердого тела. Если решатели вызываются только однажды в течение временного шага, формируется последовательность слабосвязанных (явных, прямых) решений [1]. Ввод дополнительного цикла FSI итераций, в котором решение жидкости и твердого тела повторяется до сходимости по силам взаимодействия и перемещениям, приводит к сильно связанным (неявным) решениям [2].

Гидродинамическая часть задачи ставится в рамках модели вязкого турбулентного течения несжимаемой жидкости с границами раздела сред, в том числе при моделировании работы нагнетателей АСВП. В численной реализации определение мгновенного положения границы раздела сред осуществляется методом объемного слежения (VOF) [3]. В упругой части оболочка считается моментной, с конечными деформациями, рассчитываемыми по модели Рейснера. Масса воздуха, закачанного в ярусы скега, считается постоянной. Расчет внутреннего давления в нижнем и верхнем ярусах скега в деформированной конфигурации проводится по поли-тропному закону на каждом временном шаге.

Результаты моделирования ГО АСВП

Задача определения формы и параметров гидродинамического сопротивления решается при заданной посадке судна, определяемой углом дифферента и погружением кормового ограждения относительно статического (невозмущенного) уровня воды, а также при различных начальных уровнях давления в нижнем ярусе скега и различных вариантах крепления скега к корпусу судна.

Результаты расчетов включают в себя изменение во времени распределений давлений в воздушной подушке АСВП, распределений внутренних усилий и смещений по конструкции скега, а также параметры гидродинамического сопротивления ГО. На рис. 1 представлены форма свободной поверхности раздела сред и смещения скега при движении АСВП по водной поверхности.

P^. 1

Отработана экспериментальная методика определения формы надувного скега на режимах висения СВП над твердым экраном. Проведены физические эксперименты по определению деформированной формы надувного скега. Результаты сопоставления данных эксперимента и расчета по смещению характерных точек скега представлены на рис. 2.

Горизонтальное смещение точек скега

30 25 20 15 10 5 0

1 2 3 4 5

P^. 2 Выводы

Paзpaбoтaнa расчетная методика по определению формы и нєсущих свойств ГО при действии внешних нагрузок, возникающих при движении ACBn на твердом экране и водной поверхности. По разработанной методике проведены вычислительные эксперименты определения деформированной формы скега. ^поставлена результатов вычислительных и физических экспериментов показывает, что разработанная расчетная методика в целом адекватно прогнозирует форму ГО баллонетного типа и может быть использована для определения формы ГО амфибийных ACBn баллонетного типа на начальных стадиях проектирования.

Список литературы

1. Farhat C., Lesoinne M., Maman N. Mixed explicit/ implicit time integration of coupled aeroelastic problems: Three-field formulation, geometric conservation and distributed solution // Int. J. for Numerical Methods in Fluids. 1995. V. 21. P. 807-835.

2. Le Tallec P., Mouro J. Fluid structure interaction with large structural displacements // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2001. V. 190. P. 3039-3068.

3. Кальясов П.О., Любимов A.K., Шабаров B.B., Якимов A.K. Paзвитиe и применение методов вычислительного эксперимента для исследования несущего комплекса амфибийных судов на воздушной подушке // Becтник ННГУ 2009. №6. C. 142-151.

THE NUMERICAL SIMULATION OF ACVS SKIRT INCLUDING AEROHY-DROELASTICITY EFFECTS

A. V. Tumanin, P. S. Kalyasov

The results of mathematically modeling balloon-type flexible skirts of amphibious air-cushion vehicles (ACV), taking into account aerohydroelasticity effects, are presented. A technique is presented for determining the estimated shape and parameters of the resistance of motion of the skirt currently in use onACV's. The results of the simulation using the developed technique are compared with the results of some physical experiments.

Keywords: amphibious air-cushion vehicle, flexible skirt, aerohydrodynamic loads, deformed surface, numerical simulation.