Page 9 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 原 凯，等： 航行体高速入水时多孔泡沫的缓冲降载特性 第 9 期

图 6 给出了钝头航行体以 89.67 m/s 速度入水加速度曲线的对比，可以看出，数值模拟得到的加速度
峰值与试验测得的结果非常接近，表明所建立的航行体入水数值模型可以求解缓冲降载问题。

2.1.3 网格无关性验证
为进行网格无关性验证，以 89.67 m/s 速度入水的航行体为验证模型，将流域分别划分为 3 种尺寸的

网格模型，分别是粗网格、中网格和细网格，3 种网格对应的流域最小网格尺寸分别为航行体头部中心
网格尺寸的 1.76、1.60 和 1.44 倍，计算结果如图 7 所示。可以看出，粗网格加速度峰值明显高于中网格
和细网格加速度峰值，并且中网格加速度峰值与细网格加速度峰值误差范围在 5% 以内，可以认为，采用
中网格尺寸进行计算能够使结果收敛。

7 000 16 000
Test result Coarse grid
6 000 Numerical simulation 14 000 Medium grid
12 000 Fine grid
5 000
10 000
4 000
a/(m·s −2 ) 3 000 a/(m·s −2 ) 8 000
6 000
2 000 4 000
2 000
1 000
0
0
0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12
t/ms t/ms
图 6 钝头航行体以 89.67 m/s 速度入水加速度曲线的对比 图 7 不同网格尺寸下轴向加速度对比曲线
Fig. 6 Comparison of the acceleration curve of a blunt body Fig. 7 Comparison curves of axial acceleration
entering water at a velocity of 89.67 m/s with different mesh sizes
2.2 计算模型设置

设计了一种结合整流罩和填充泡沫的缓冲头帽，用于在航行体高速入水时吸收入水冲击力。该缓冲
头帽需要具备足够的强度以保证在入水前运动过程中的完整性，此外，还需要在撞击水面时能够迅速破
碎，以免干扰航行体后续的运动轨迹。为了实现这一目标，选用一种特殊的复合材料来模拟缓冲罩壳，
该复合材料以不饱和聚氨酯树脂作为基体，以短切玻璃纤维作为增强材料 [18] ，在遭受瞬时强冲击载荷时
容易发生脆性破坏，从而能够满足缓冲头帽在入
表 1 材料参数
水冲击时快速破碎的需求，复合材料的具体参数
Table 1 Material parameters
如表 1 所示，连接器的材料选取与罩壳一致。航
密度/ 杨氏模量/ 屈服应力/ 切线模量/
行体及缓冲头帽的数值计算模型如图 8 所示，其 材料 泊松比
−3
(kg·m ) GPa MPa MPa
中包括航行体本身、整流罩以及缓冲泡沫的基 缓冲头帽 1 200 8.5 0.33 45.0 9
本构型，缓冲头帽的设计见图 4，设计 D=324 mm， 缓冲泡沫 100 1.0 0.24 1.4
b=2.5 mm。本文中主要研究多孔缓冲泡沫对航
行体入水降载的影响，不关注航行体本身的结构
响应，因此，假设航行体为刚体，取 7075 铝合金 0.63D D
的密度为 2 810 kg/m 。缓冲泡沫采用聚氨酯泡
3
6.17D
沫，材料参数见表 1，尺寸见图 4。此外，为了模
拟整个航行体的高速入水过程及缓冲效果，构建
了数值计算域并对其进行网格细分，如图 9 所
示，整个计算域为直径 6 m、高 8 m 的圆柱体。
为了消除应力波的影响，计算域的前后两侧以及 图 8 航行体、整流罩及缓冲泡沫计算模型
底部均采用无反射边界条件。 Fig. 8 Calculation model of vehicle, fairing, and buffer foam

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