Page 20 - 《爆炸与冲击》2026年第01期

第 46 卷 李 尧，等： 结构体高速倾斜入水的尾拍载荷及姿态稳定性 第 1 期

一侧安定面再次撞水；在约 250 ms 时刻，主空泡发生颈缩断裂；约 299 ms 时刻主空泡收缩至入水结构体
尾部，直至溃灭，入水结构体表面全沾湿。在空泡发展演化过程中，除发生尾拍时刻外，入水结构体主体
均被主空泡完全包裹。
2.2 入水结构体主体载荷分析

2.2.1 入水倾角对尾拍载荷的影响
C z （或称三向阻力系
将入水结构体受力进行无量纲化处理，得到轴向、法向和侧向力系数 C x 、 C y 和
数），计算公式为：
ma i
C i = (i = 1,2,3) (10)
2
0.5ρv S
m 为入水结构体质量；C 为三向力系数，a 为三向加速度，计算三向阻力系数时，对于 i=1, 2, 3，C 分
i
i
i
式中：
别代表三向阻力系数 i a Z （参考坐标系为图 4 所
x y z a X 、 a Y 、
C 、C 、C ，a 分别代表水结构体实时三向加速度
示的大地坐标系 O−XYZ）； ρ 为水的密度；v 为入水结构体实时合速度； S 为参考面积，此处取为入水结构
体头部平面面积 S 。
pro
图 6 为通过式 (10) 计算获得的入水过程中入水结构体三向力系数。首先关注全过程中的冲击载
C x 峰值的绝对值越大，90°入水倾角工况下达到 0.87。入水结构体入水砰
荷：入水倾角越大，轴向力系数
C x 峰值的绝对值对入水倾角非常敏感，当入水倾角从 90°减小至 60°后，该绝对值减
击瞬间的轴向力系数
小了 2/3，至 0.28，且峰值出现的时刻延后了 2.2 ms。
0.2 0.4 0.30

θ=90°, α=5° θ=80°, α=5° θ=90°, α=5° θ=80°, α=5° θ=90°, α=5° θ=80°, α=5°
0 θ=70°, α=5° θ=60°, α=5° 0.2 θ=70°, α=5° θ=60°, α=5° 0.25 θ=70°, α=5° θ=60°, α=5°
0.20
−0.2 0 Cavity 0 Sec tail-slapping 0.20 0.15 Cavity collapse
0.10
0.15
0.05
−0.2
C x −0.4 C x −0.4 collapse C y 0.06 Impact C z 0.10 C z −0.05 0
Firsttail-
0.04
−0.6 −0.6 −0.2 C y 0.02 slapping 0.05 −0.10 290 300 310 320 330
−0.8 Impact 0 Time/ms
−0.8 −1.0 3 4 5 6 7 8 −0.4 0 Cavity
Time/ms 0 5 10 15 20 25 collapse −0.05
Time/ms
−1.0 −0.6 −0.10
0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 300 350
Time/ms Time/ms Time/ms
图 6 入水结构体三向受力系数曲线图
Fig. 6 The three-directional force coefficient curves of the water entry object
C y 的峰值介于 之间，随着入水倾角的减小而微幅升高，且对
入水砰击瞬间法向力系数 0.05～0.053
C y 的峰值在首次尾拍、二次尾拍及空
入水倾角的变化不敏感。除入水砰击外，入水结构体的法向力系数
C y 的峰值随入水倾角的减小而增大，
泡溃灭阶段均出现了明显的峰值特征。其中，首次尾拍法向力系数
60°倾角入水工况为 0.025；二次尾拍 C y 峰值对入水倾角变化不敏感。
纵观空泡形成、发展、溃灭直至入水结构体主体沾湿全过程，三向力系数峰值均出现在空泡溃灭阶
段，该阶段入水结构体主体受到的三向力均达到峰值，为最危险工况。需要注意的是，虽然空泡溃灭阶
段结构受到的法向、侧向峰值力均大于尾拍、入水砰击载荷，但对于结构设计而言，仅考虑该阶段峰值
载荷并不能实现对入水载荷的设计包络。原因在于，入水砰击、尾拍和空泡溃灭峰值载荷作用在结构体
的不同部分，而结构体的局部强度设计差别很大，对外载荷的响应能力不同，应当同时考虑入水砰击、尾
拍和空泡溃灭峰值载荷对结构的影响。
图 7 为空泡溃灭阶段三向阻力系数峰值（绝对值）曲线，三向阻力系数峰值（绝对值）由式 (10) 计算
获得，计算时 a 取空泡溃灭阶段 a X 、 a Y 、 a Z 的峰值，其余物理量取值不变。空泡溃灭段法向受力显著高
i
C y 随入水倾角的变化幅值体现了尾空泡回缩击打
于轴向和侧向受力，空泡溃灭阶段法向阻力系数峰值
结构体的载荷大小即分布特性，由于攻角的存在，入水倾角为 90°时结构体尾部在前置尾拍过程中仅迎
水侧部分沾湿，空泡溃灭时受空泡壁拍击的载荷分布呈现明显的非对称性；而入水倾角为 60°时，由于空

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