Моделирование аэрогидроупругого взаимодействия гибкого ограждения баллонетного типа с водным и воздушным потоками в составе несущего комплекса амфибийного судна на воздушной подушке

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Механика
Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского, 2013, № 1 (3), с. 109−114
УДК 629. 12:519. 6
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОГИДРОУПРУГОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБКОГО ОГРАЖДЕНИЯ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА С ВОДНЫМ И ВОЗДУШНЫМ ПОТОКАМИ В СОСТАВЕ НЕСУЩЕГО КОМПЛЕКСА АМФИБИЙНОГО СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
© 2013 г. Л.А. Игумнов1, А.В. Туманин2, П.С. Кальясов2, А.М. Крыжанов3
1 Нижегородский госуниверситет им. Н. И. Лобачевского,
2 Судостроительная компания «Аэроход», Нижний Новгород,
3 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
isadymacar@yandex. ru
Поступила в редакцию 30. 11. 2012
Рассматривается математическое моделирование аэрогидроупругого взаимодействия гибкого ограждения баллонетного типа амфибийных судов на воздушной подушке с водной и воздушной средами. Приводятся результаты численного моделирования формы баллонета и аэрогидродинамических нагрузок, действующих на баллонет в составе несущего комплекса судна на воздушной подушке.
Ключевые слова: аэрогидроупругость, математическое моделирование, судно на воздушной подушке, гибкое ограждение, аэрогидродинамические нагрузки.
Введение
Аэрогидроупругое взаимодействие гибкого ограждения (ГО) с водным и воздушным потоками при движении судна на воздушной подушке (СВП) на крейсерских режимах сказывается на ходовых качествах и ресурсных характеристиках ГО. Сдерживающим фактором для корректного учета этого взаимодействия на стадиях проектирования СВП является целая совокупность проблем: нестационарный характер действующих на ГО сил, пространственный тип задачи, контактное взаимодействие элементов ГО, как между собой, так и с подстилающей поверхностью, значительная геометрическая и физическая нелинейности задачи.
Существующие методы расчета параметров ГО основаны на безмоментной теории оболочек [1]. Расчет проводится при следующих допущениях:
¦ деформации материала считаются пренебрежимо малыми, материал ГО полагается гибким, невесомым и не обладающим изгиб-ной жесткостью-
¦ расчет обычно базируется на рассмотрении статического или квазистатического напряженного состояния-
¦ избыточное давление в надувных элементах ГО и воздушной подушке (ВП) принимается распределенным равномерно-
¦ форма ГО определяется в рамках гипотезы плоских поперечных сечений, при этом рассматривается плоская задача равновесия гибкой невесомой нити под постоянной и равномерно распределенной нагрузкой. Перечисленные допущения положены в основу работ ряда работ В. В. Кличко [2],
Э. А. Паравяна [3], В. Э. Магулы [4] и ведут к значительной идеализации расчетных схем.
Использование современных методов вычислительного эксперимента позволяет отойти от указанных выше предположений и рассмотреть сопряженную модель взаимодействия гибкой конструкции ГО с водной и воздушной средами. При этом возникает возможность параметрического исследования формы ГО, определяемой давлением в ВП и давлением закачанного в изолированные элементы ГО воздуха, силами тяжести, силами от внешнего аэрогид-родинамического обтекания ГО, истечения воздуха из ВП и силами аэрогидродинамического трения. Важной особенностью является то, что результирующая этих сил в данный момент времени зависит от текущей формы ГО, и наоборот, текущая форма ГО зависит от сил, действующих на ГО в данный момент.
В настоящей работе рассматривается моделирование аэрогидроупругого взаимодействия гибкой конструкции ГО СВП с водной и воздушной средами, которое базируется на мето-
дах современной вычислительной механики и позволяет более точно приблизиться к описанию физики реального процесса.
Математическое моделирование взаимодействия упругой конструкции и жидкости
Рассмотрим трехмерную область (рис. 1), состоящую из двух подобластей, представляющих собой жидкость и упругую конструкцию. Индексы? и $ обозначают здесь и далее жидкость и упругую конструкцию соответственно. Объединение этих областей представляет собой расчетную область О = Ор и. Введем обозначения для трех
поверхностей: жидкости Г, твердого тела Г5 и общей (интерфейсной) границы жидкости и твердого тела Гр/3 = дОр П дО8.
Kss '- xs — fs Ks
KK
KFs K
FF
xs fs
XF fF
ss
Kff ¦ xF — /f — KF
J-1 F, t
Рис. 1. Схема взаимодействия жидкости и упругой конструкции
В упрощенном виде система уравнений взаимодействия жидкости и упругой конструкции может быть записана в следующем виде [5]:
(1)
Решение указанной системы в единой постановке (monolithic approach) [6] для реальных задач с учетом геометрических и физических нелинейностей в условиях пространственных турбулентных течений зачастую не представляется возможным из-за различий в самой физике рассматриваемых процессов. Поэтому наиболее перспективным является так называемый разделенный подход (partitioned approach), в рамках которого соотношения для жидкости и упругого тела решаются в различных специализированных расчетных программах. В этом случае динамика упругой конструкции и жидкости описывается уравнениями, связь которых осуществляется посредством правых частей:
(2)
'-F KFS xS (3)
В рамках разделенного подхода можно выделить два класса задач: слабосвязанные и сильносвязанные. При использовании слабосвязанного подхода уравнения (2), (3) решаются лишь однажды в течение шага по времени, что приводит к последовательности слабосвязанных (явных, прямых) решений [7]. Ввод дополнительного цикла FSI (Fluid Solid Interaction — взаимодействие жидкость — твердое тело) итераций, в котором решение уравнений (2), (3) повторяется до сходимости по силам взаимодействия и перемещениям, приводит к сильно связанным (неявным) решениям [8]. Слабосвязанные, разделенные методы решения наиболее эффективны, если взаимодействие мало или временные масштабы в жидкости и конструкции сильно отличаются. В противоположность этому, для больших перемещений упругой конструкции, несжимаемых жидкостей, полностью заключенных в деформируемую структуру, или в случае, когда значительная масса жидкости движется совместно с конструкцией, должны быть применены сильно связанные разделенные методы решения с итерационным циклом FSI (Fluid Solid Interaction — взаимодействие «жидкость — упругое тело»). В настоящее время имеется ряд публикаций [5, 6], в которых приведено описание инструментов, методик и ряда верификационных задач взаимодействия жидкости и упругой конструкции и, в частности, задач аэрогидроупругости.
В рассматриваемом случае для численного решения задачи аэрогидроупругости применяется разделенный метод решения в сильносвязанной постановке, при котором соотношения для деформируемого тела разрешаются в пакете вычислительной механики ANSYS Mechanical, а соотношения для жидкости — в пакете вычислительной гидрогазодинамики ANSYS-CFX [9].
Описание Г О баллонетного типа
Рассматривается гибкое ограждение ВП так называемого баллонетного типа, свойственное судам нижегородских проектантов и производителей СВП. Баллонетный тип гибкого ограждения отличается от классического наличием бортовых пневматических баллонов — скегов, принимающих под действием внутреннего избыточного давления цилиндрическую форму с конусообразными законцовками.
На рис. 2 представлено СВП с ГО баллонетного типа «Хивус-10», параметры которого ис-
пользовались при последующих расчетах.
Материал Г О — газонепроницаемая ткань на основе поливинилхорида (ПВХ) с добавкой полиуретана и армированная полиэстером. Композиционный тканевый материал ГО имеет малую жесткость на сжатие и изиб, а также различные механические характеристики в осевом и окружном направлениях.
Материал является ортотропным, с укладкой нитей основы и утка под углом 90°. Для использования его характеристик в конечноэлементной модели нужно в общем случае определить девять независимых параметров.
Для случая тонкой оболочки с учетом поперечного сдвига их число уменьшается до шести: два модуля упругости I рода, один из коэффициентов Пуассона, модуль сдвига в плоскости оболочки и два продольно-поперечных модуля сдвига. Определение указанных параметров проводилось на основе испытаний образцов материала на растяжение и трехточечный изгиб (рис. 3).
Результаты по экспериментальному определению механических свойств материала скега на начальном участке диаграммы деформирования приведены в таблице 1.
Рис. 2. Амфибийное СВП «Хивус-10» (СК «Аэроход», г. Н. Новгород)
Рис. 3. Испытания образцов на растяжение и диаграмма деформирования
Таблица 1
Модуль упругости вдоль нитей основы Е, МПа 1343
Модуль упругости вдоль нитей утка ?2, МПа 98
Модуль сдвига в плоскости С12, МПа 4. 2
Продольно-поперечный модуль сдвига 013, МПа 1. 97
Продольно-поперечный модуль сдвига 023, МПа 0. 54
Коэффициент Пуассона О12 0. 034
Коэффициент Пуассона О21 0. 46
Задача аэрогидроупругости несущего комплекса амфибийного СВП баллонетного типа
Рассматриваются следующие формы (конфигурации) ГО в соответствие с терминологией [4]:
• исходная, соответствующая ненапряженному состоянию, когда ГО чуть поддуто и расправлено (держит форму) —
• начальная, отвечающая началу рассматриваемого процесса (может совпадать с исходной) —
• конечная или деформированная, принимаемая ГО под нагрузкой.
Задача решается для заданной посадки судна, определяемой углом дифферента и погружением кормового ограждения относительно статического (невозмущенного) уровня воды, а также при различных начальных уровнях давления в нижнем ярусе скега.
Гидродинамическая часть задачи ставится в рамках модели вязкого турбулентного течения несжимаемой жидкости с границами раздела сред, в том числе при прямом моделировании работы нагнетателей СВП. В численной реализации определение мгновенного положения границы раздела сред осуществляется методом объемного слежения (VOF) [10].
В упругой части оболочка считается мо-ментной, 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 политропному закону на каждом временном шаге связанной задачи.
Схема взаимодействия программ расчета напряженно-деформированного состояния конструкции ГО (ANSYS Mechanical) и гидродинамического расчета (ANSYS CFX) представлена на рис. 4.
Результаты расчетов включают в себя изменение во времени распределений давлений в воздушной подушке амфибийного СВП, распределений внутренних усилий и перемещений по конструкции скега, а также параметры гидродинамического сопротивления ГО. На рис. 5 представлены форма свободной поверхности раздела сред и перемещения скега при движении амфибийного СВП по водной поверхности.
нагрузки на ГО
Рис. 4. Схема решения задачи аэрогидроупругости для ГО СВП
Рис. 5 Поле перемещений баллонета и форма свободной поверхности при движении СВП на крейсерском режиме
Анализ смещений ГО (рис. 6) позволяет говорить о колебательном характере работы ГО даже в условиях эксплуатация СВП при отсутствии ветро-волновых возмущений. Зависимость смещения точки на кормовой части нижнего яруса скега ГО (см. рис. 6) от давления начальной закачки представляется следующим образом: с увеличением начальной закачки уменьшается среднее отклонение и амплитуда относительно начальной конфигурации и увеличивается частота колебаний скега СВП, что косвенно подтверждается результатами натурных испытаний рассматриваемого СВП.
В то же время, прослеживается зависимость нагрузок (рис. 7), действующих на баллонет СВП (подъемной силы, силы сопротивления, момента по дифференту судна) от начального давления: среднее каждого из параметров остается на том же уровне (в том числе и без учета упругости ГО), с ростом давления (начальной закачки баллонета) увеличивается частота изменения аэрогидродинамических нагрузок.
Характерная точка в кормовой части Характерная точка в носовой части
Рис. 6. Зависимости относительных смещений характерных точек ГО от времени и начальной закачки баллонета при движении СВП на скорости 60 км/ч по водной поверхности
Рис. 7. Зависимости силы сопротивления на нижнем ярусе ГО от времени и различной начальной закачке баллонетов при движении СВП со скоростью 60 км/ч по водной поверхности
Заключение
Проведено моделирование аэрогидроупруго-го взаимодействия ГО баллонетного типа, применяемого на амфибийных СВП, с водными и воздушными потоками. Расчеты основываются на методике решения задач аэрогидроупругости, реализованной на базе программных комплексов ANSYS Mechanical и ANSYS-CFX [1Q]. Методика в целом позволяет решать пространственные нестационарные задачи аэрогидроупругости ГО амфибийных СВП как по мо-ментной, так и по безмоментной теории оболочек с учетом нагрузок, действующих на ГО от воздушной подушки, аэродинамических нагрузок, возникающих при обтекании ГО внешним потоком, и нагрузок, действующих на глиссирующие элементы ГО.
Получены результаты для случая движения СВП по водной поверхности в отсутствие вет-ро-волновых возмущений в виде аэрогидроди-намических нагрузок, действующих на балло-
нет, изменения геометрической формы баллонета. Расчеты показывают, что даже при отсутствии ветро-волновых возмущений ГО балло-нетного типа находится в автоколебательном режиме. Амплитуда и частота колебаний зависят, в том числе, от величины массы воздуха, закачанного в баллонет — начального статического избыточного давления в баллонете.
Дальнейшее развитие расчетов в направлении аэрогидроупругости ГО предполагает верификацию методики (прямую или косвенную) по результатам натурных испытаний СВП, учет в методике контактного взаимодействия баллонета с носовым и кормовым ГО, а также с твердыми опорными поверхностями с различными характеристиками рельефа и трения.
Список зитиоктуоы
1. Демешко Г. Ф. Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке. Кн. 2. СПб.: Судостроение, 1992. 329 с.
2. Бондарец К. В., Кличко В. В., Расчет парамет-
ров формы элементов гибких ограждений воздушной подушки // ЦНИИ им. А. Н. Крылова Труды, Гидродинамика быстроходных судов: Вып. 247. 1969. С. 66−78.
3. Паравян Э. А. Форма контура гибкого ограждения СВП, находящегося под воздействием произвольно направленных сосредоточенных сил. Вопросы судостроения. Серия Проектирование судов. Вып. 14 // ЦНИИ «РУМБ», 1977. С. 22−27.
4. Магула В. Э. Судовые эластичные конструкции. Л.: Судостроение, 1978. 263 с.
5. Hubner B., Seidel U., Roth S. Application of fluid-structure coupling to predict the dynamic behavior of turbine components // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 12−1. 2010.
6. Hubner B., Walhorn E., Dinkler D. A monolithic approach to fluid-structure interaction using space-time finite elements // Computer Methods in Applied
Mechanics and Engineering. 193, 200, P. 2087−2104.
7. Farhat C., Lesoinne M., Maman N., Mixed
explicit/implicit time integration of coupled aeroelastic problems: Three-field formulation, geometric
conservation and distributed solution // International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1995. 21. p. 807−835.
8. Le Tallec P., Mouro J. Fluid structure interaction with large structural displacements // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2001. 190. P. 3039−3068.
9. ANSYS Release 11.0 1996−2006 Documentation ANSYS Europe, Ltd.
10. Кальясов П. С., Туманин А. В., Якимов А. К., Шабаров В. В., Математическое моделирование аэрогидродинамики несущего комплекса амфибийных судов на воздушной подушке (СВП) баллонетного типа // Морской Вестник. № 1(37). 2011. C. 104−107.
MODELING AERO-HYDROELASTIC INTERACTION OF A FLEXIBLE BALLONET BOARDING WITH WATER AND AIR FLOWS AS A PART OF THE CARRYING COMPLEX OF AN AMPHIBIAN HOVERCRAFT
LIgumnov, ^ V.manin, P. S. Kalyasov, А.М. Кryzhanov
The aero-hydroelastic interaction of a flexible ballonet boarding of an amphibian hovercraft with water and air media is mathematically modeled. The results of numerically modeling the ballonet form and of the aero-hydrodynamic loading acting on the ballonet as a part of the carrying complex of an amphibian hovercraft are presented.
Keywords: aero-hydroelasticity, mathematical modeling, amphibian hovercraft, flexible boarding, aero-hydrodynamic loading.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой