基于SPH方法的楔形体入水仿真

1、背景

结构物入水冲击问题具有重要的工程应用背景，在船体砰击、水上迫降、水上飞机、空投鱼雷入水等都属于这类问题，随着现代军事和民用航空航海领域的发展，这类问题也得到了越来越多的关注。结构物在入水过程中，会激起周围流体介质的运动；反过来，流体介质对结构又施加各种反作用力，特别是在入水冲击初期瞬态间过程中会遭受巨大的冲击载荷，可能导致局部结构失效，对飞机的设计至重要对于入水冲击问题的研究，主要是在理论研究、试验研究和数值计算方法方面，但无论哪方面的研究上都具有一定难度。最初入水冲击问题主要是针对入水试验研究，随着计算机技术和有限元技术的发展，研究者对数值模拟逐渐进行了大量的研究工作，并取得了一定的成就，但是由于有限元技术在网格上的限制，对入水这种大变形的问题进行模拟时，往往会造成网格畸变，无法计算。近几年来，无网格的SPH方法在模拟大变形问题的优越性而越来越受到人们的重视。

本文运用SPH方法对楔形体入水的过程进行了模拟。

水和固体一样，不像气体那样具有很好的可压缩性，所以一般认为是不可压缩的。但是事实上，理论上不可压缩的流体实际上都是可压缩的，只是变化不明显。为了描述这种不明显的可压缩性，更好的模拟水的状态，需要引进人工压缩率。人工压缩率的引进主要是把所有不可压缩的流体都考虑为实际上是可压缩的。因此，可以用模拟可压缩的状态方程去模拟不可压缩流。在一些有限元软件中（如Is-dyna），Gruneisen状态方程用的比较多，用于模拟水和空气等可压缩的流体。

2、模型设置

模型为二维楔形体入水，楔形体为刚体，水的材料和状态参数如下图所示：

3、结果分析

当楔形体进入水面后，由于楔形体的冲击作用，水粒子被排开，并且在水面和楔形体接触处的液面会升高，随着楔形体的不断深入，液面也不断升高，并有部分水粒子会沿着楔形体的两边界斜向上飞溅，当楔形体完全进入水面后，在楔形体的两边将形成两条水的飞溅。本文通过在IS-DYNA软件中建立三维模型，较好地模拟了楔形体撞水和侵水过程。