王延林， 張大勇， 趙煜， 岳前進(jìn)，2

（1.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦124221；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116023）

0 引 言

潛望鏡是潛艇的重要組成部分，被人們比喻為潛艇的“眼睛”。利用潛望鏡，艇上人員可以環(huán)視海面，測定目標(biāo)的距離和方位，同時(shí)利用潛望鏡還可以測量天體以便對潛艇進(jìn)行定位[1]。如果潛艇在航行的時(shí)候艇員使用潛望鏡進(jìn)行觀察（潛望狀態(tài)），潛望鏡由于水流的作用會(huì)產(chǎn)生彎曲、振動(dòng)等問題。潛望鏡彎曲后將影響其測量精度，尤其對于導(dǎo)航潛望鏡，將嚴(yán)重影響其測天精度。常規(guī)潛艇在低于12 kns航速航行時(shí)，不至于影響潛望鏡的性能[2]，但是當(dāng)潛艇航行中對水面情況進(jìn)行觀察（潛望）或發(fā)現(xiàn)敵情需要緊急下潛（潛躍）的時(shí)候，由于航速較快，潛望鏡會(huì)受到較大的水流力的作用并產(chǎn)生彎曲、振動(dòng)等問題。潛望鏡與潛望鏡套管屬于精密構(gòu)件，在較大荷載及振動(dòng)情況下會(huì)產(chǎn)生磨損、疲勞等問題，此外潛望鏡的振動(dòng)影響艇員觀察海面情況，強(qiáng)烈的振動(dòng)甚至?xí)p壞潛望鏡的光學(xué)元件而造成功能失效等問題。

綜上所述，潛望鏡的力學(xué)性能是保證潛望鏡正常工作的重要指標(biāo)。掌握潛望鏡在水流載荷作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及變形響應(yīng)情況對于艇上人員正確操作潛望鏡及新型潛望鏡及其光學(xué)器件的設(shè)計(jì)都具有一定的指導(dǎo)意義。潛艇潛望鏡近似為一光滑圓柱體，很多學(xué)者對圓柱體在均勻流場內(nèi)的受力情況進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬及模型實(shí)驗(yàn)研究[3-5]，并將數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，很多工作都具有借鑒意義。但是海上環(huán)境復(fù)雜，干擾因素較多，因此數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)的方法都存在其局限性，和真實(shí)環(huán)境中的潛望鏡受力情況差別較大。海上實(shí)艇實(shí)驗(yàn)無疑可以獲得最真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)值模擬等方法，就可以準(zhǔn)確評估真實(shí)環(huán)境中的潛望鏡的力學(xué)性能。因此本文通過現(xiàn)場實(shí)艇實(shí)驗(yàn)的方法，獲取潛望鏡在潛望及潛躍狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)信息，再結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬的手段，對潛望鏡在水流載荷作用下的力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)測與分析。而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到常規(guī)應(yīng)變測量技術(shù)都是在結(jié)構(gòu)表面粘貼應(yīng)變片或者焊接封裝好的應(yīng)變式傳感器[6-7]，如果直接粘貼應(yīng)變片，需要考慮現(xiàn)場防水等問題，不便于操作；其次由于潛艇潛望鏡屬于精密構(gòu)件，表面光滑度需要滿足一定的要求，因此傳感器的安裝和拆卸過程不能破壞潛望鏡的光滑表面，也不可以進(jìn)行例如焊接等操作；同時(shí)實(shí)艇試驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)海區(qū)進(jìn)行的，由于對實(shí)驗(yàn)時(shí)間要求比較嚴(yán)格，因此現(xiàn)場需要能夠快速安裝和快速拆卸傳感器。綜合考慮各種因素，本文選用了裸光纖光柵（FBG）應(yīng)變傳感器[8]，并采用了準(zhǔn)分布式測量技術(shù)[9]。同時(shí)，為了現(xiàn)場便于快速定位和安裝，還在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了光纖光柵快速安裝的方法，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場對潛艇潛望鏡動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的快速測量。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，對潛艇潛望鏡的靜力與動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并將實(shí)測結(jié)果與Morison公式計(jì)算結(jié)果以及Fluent數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 實(shí)艇實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.1 實(shí)艇實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的目的是通過實(shí)測潛望鏡上動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)情況來分析評估潛望鏡的水動(dòng)力特性。潛望鏡在升起時(shí)可以簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在水流載荷作用下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變發(fā)生在潛望鏡根部與上導(dǎo)套（如圖3）接觸部位。同時(shí)潛望鏡部分管體在導(dǎo)流罩內(nèi)部，可以認(rèn)為不受水流力的作用。因此潛望鏡在導(dǎo)流罩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)受力可以簡化為受到集中載荷作用的懸臂梁，其應(yīng)變分布規(guī)律是線性的。故實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為測量導(dǎo)流罩內(nèi)盡量靠近根部的彎曲應(yīng)變響應(yīng)。測量方案分別在前后潛望鏡靠近根部的某一截面上每隔90°安裝一光纖光柵應(yīng)變傳感器，布置方向?yàn)檠刂鴿撏R管方向。這樣既可以準(zhǔn)確定位潛艇的縱向與橫向位置，又可以兩兩互為補(bǔ)償，消除溫度的影響。其中每個(gè)潛望鏡的四個(gè)傳感器通過傳輸光纖串連，前后潛望鏡的兩根傳輸光纖一起經(jīng)由填料函密封處理后進(jìn)入潛艇的艙內(nèi)，連接到SI425光柵解調(diào)儀的兩個(gè)通道上，并通過筆記本電腦與SI425通訊與數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)方案布置如圖1所示。由于本次實(shí)驗(yàn)需要潛艇行駛到指定實(shí)驗(yàn)海域進(jìn)行實(shí)艇實(shí)驗(yàn)，因此潛艇行駛過程中潛望鏡需要收起，待到達(dá)實(shí)驗(yàn)海域后升起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故傳感器需要在到達(dá)實(shí)驗(yàn)海域后進(jìn)行快速的安裝，實(shí)驗(yàn)完成后還需要快速清除傳感器，便于潛望鏡收起后駛離實(shí)驗(yàn)海域。因此實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為在岸邊進(jìn)行線纜的布設(shè)，待到達(dá)實(shí)驗(yàn)海域后再進(jìn)行傳感器的安裝和實(shí)驗(yàn)。

圖1實(shí)艇實(shí)驗(yàn)方案布置圖Fig.1 Experiment layout

1.2 光纖光柵水下應(yīng)變測量方案設(shè)計(jì)

在水下進(jìn)行應(yīng)變測量需要保證傳感器防水。潛望鏡表面光滑，為便于潛望鏡的升降，所以要求選用的傳感器便于安裝和拆卸，而且此過程中還不能破壞潛望鏡表面的光滑程度。針對上述問題與要求，本文選用了裸光纖光柵，其優(yōu)點(diǎn)是：二氧化硅介質(zhì)，不怕海水的影響；裸光纖直徑只有125 μm對結(jié)構(gòu)影響?。恢恍枰?02膠水粘貼于結(jié)構(gòu)上，安裝與拆卸都很方便，因此十分適合本實(shí)驗(yàn)要求。

此外，由于實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)確測量潛望鏡在水流載荷作用下的應(yīng)變響應(yīng)情況，所以傳感器布點(diǎn)位置設(shè)計(jì)為沿著潛艇行駛的方向，每隔90°布設(shè)一光纖光柵應(yīng)變傳感器。為了在現(xiàn)場安裝的時(shí)候保證傳感器安裝的精度與速度，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了充分的前期準(zhǔn)備。首先，準(zhǔn)備一塑料薄板，長度為潛望鏡的周長，并在每隔1/4周長位置割一豎向橢圓鏤空，然后將事先準(zhǔn)備好的光纖光柵串布置到塑料板上，如圖2所示。安裝的時(shí)候?qū)⑺芰习鍑跐撏R的鏡管上固定好，以保證安裝位置的準(zhǔn)確性。然后再在鏤空處將光柵粘貼在鏡管上，以保證傳感器的快速安裝與準(zhǔn)確布設(shè)。而且裸光柵比較脆弱，安裝不小心會(huì)將傳感器折斷，經(jīng)封裝之后，可保障傳感器的安全。通過上述設(shè)計(jì)，保證了傳感器現(xiàn)場安裝過程的安全、準(zhǔn)確與快捷。

圖2自行設(shè)計(jì)封裝的光柵串陣Fig.2 Packaged grating arrays

1.3 實(shí)艇傳感器安裝

潛艇駛?cè)雽?shí)驗(yàn)海域之后，潛望鏡升起并進(jìn)行了傳感器的安裝。安裝完后，在艇內(nèi)用測試儀器對安裝的傳感器進(jìn)行了測試，但是只測量到了后潛望鏡的應(yīng)變響應(yīng)，前潛望鏡信號丟失。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制，無法進(jìn)行傳感器的更換，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析只針對后潛望鏡。后潛望鏡光柵列陣安裝位置在距根部85 cm處，如圖3所示。

1.4 海試實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

傳感器與設(shè)備安裝、調(diào)試完成之后，對潛望鏡進(jìn)行實(shí)艇實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分三大工況，分別為主電機(jī)雙進(jìn)一潛望狀態(tài)（工況1）、主電機(jī)雙進(jìn)二潛望狀態(tài)（工況2）和潛越狀態(tài)（工況3）。其中潛望狀態(tài)（工況1和2）根據(jù)潛望鏡的角度不同，又分成9種不同小工況，實(shí)驗(yàn)時(shí)每種工況的實(shí)際航速、水深、潛望鏡角度等參數(shù)如表1所示。

圖3后潛望鏡測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Sensor placement diagram of the downstream periscope

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)測應(yīng)變響應(yīng)與溫度補(bǔ)償

各個(gè)工況實(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利，實(shí)測應(yīng)變響應(yīng)信號良好。首先分析每種工況下每個(gè)通道應(yīng)變變化情況，以工況1－7為例。潛望鏡1、3通道與2、4通道彎曲應(yīng)變情況如圖4所示。其中1、3通道與2、4通道是相隔180°的一組傳感器，在彎矩的作用下，他們的應(yīng)變大小應(yīng)該相等，方向相反，一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，從實(shí)測曲線可以發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律。每組的兩個(gè)傳感器都是大小相等，方向相反，相位正好相差180°。此外每個(gè)通道的應(yīng)變均值都是負(fù)的，這是由于潛望鏡是由水面潛入水下，水面與水下的溫差大，產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變的現(xiàn)象，因此需要消除溫度效應(yīng)對實(shí)測應(yīng)變的影響。

分析實(shí)測各個(gè)通道應(yīng)變響應(yīng)的組成，其中，1、3通道為潛望鏡橫向應(yīng)變（垂直潛艇行駛方向），2、4通道為潛望鏡縱向應(yīng)變（沿著潛艇行駛方向），因此有：

式中：εH為潛望鏡橫向彎曲應(yīng)變；εV為潛望鏡縱向彎曲應(yīng)變；εT為溫度應(yīng)變。由于4個(gè)通道的溫度效應(yīng)是一樣的，因此溫度應(yīng)變也是一樣的，故有

由公式（2）就可以求得潛望鏡測點(diǎn)處消除溫度影響后的縱向和橫向彎曲應(yīng)變情況。

圖5縱向和橫向彎曲應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.5 Time history of vertical and horizontal bending strain

圖6潛望鏡潛越應(yīng)變時(shí)程Fig.6 Strain time history of the emergency dive

分析各工況時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)潛望鏡縱向和橫向彎曲應(yīng)變都存在波動(dòng)情況。其中工況1和工況2情況下，振動(dòng)曲線的均值較小，在10～20微應(yīng)變左右，波動(dòng)幅度在30微應(yīng)變左右，如圖5所示。工況3振動(dòng)情況最劇烈，如圖6所示，最大波動(dòng)量達(dá)140微應(yīng)變左右，而且橫向振動(dòng)情況要遠(yuǎn)大于縱向的振動(dòng)情況，分析認(rèn)為此工況發(fā)生了比較強(qiáng)烈的渦激振動(dòng)問題，具體原因?qū)⒃诤罄m(xù)文中進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.2 潛望鏡動(dòng)力特性分析

潛望鏡的自振頻率是潛望鏡設(shè)計(jì)、潛艇操作等環(huán)節(jié)的重要參考指標(biāo)。而水中潛望鏡由于受到海水的阻尼力的作用，其自振頻率是變化的。因此分別對空氣中的潛望鏡和水中不同航速下的潛望鏡自振頻率進(jìn)行分析比較。

2.2.1 潛望鏡水面振動(dòng)頻率分析

當(dāng)潛艇在水面漂浮且潛望鏡完全升起的狀態(tài)下，對實(shí)測到的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，得到頻譜如圖7所示。頻譜圖上有兩個(gè)峰值分別為0.25 Hz和5.75 Hz。其中0.25 Hz的頻率接近波浪的頻率，因此其為潛艇隨波浪漂浮的頻率，故5.75 Hz即為潛望鏡在空氣中的自振頻率。

圖7水面飄浮時(shí)潛望鏡振動(dòng)頻譜Fig.7 Vibration spectrum when the periscope floating on the water

圖8 潛望鏡工況1－5下振動(dòng)頻譜Fig.8 Periscope vibration spectrum in condition 1-5

圖9工況3-1振動(dòng)頻譜Fig.9 Periscope vibration spectrum in condition 3-1

2.2.2 潛望鏡水下振動(dòng)頻率分析

在水下航行的時(shí)候，通過實(shí)測應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程分析每種工況下潛望鏡的振動(dòng)頻率。通過分析發(fā)現(xiàn)，潛望鏡在工況1和工況2情況下，振動(dòng)頻率在5.5 Hz左

右，如圖8所示。而工況3-1的振動(dòng)頻率只有5 Hz，如圖9所示。說明潛望鏡水下振動(dòng)頻率隨著與水流的耦合作用是發(fā)生變化的，流速越大，其自振頻率越小。

2.2.3 潛望鏡渦激振動(dòng)分析

通過實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，潛望鏡在不同工況下都有不同程度的振動(dòng)情況。尤其是在3-1工況下，振動(dòng)尤為劇烈，而且橫向振動(dòng)幅度要遠(yuǎn)大于縱向振動(dòng)幅度，故認(rèn)為有可能發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象，如圖6所示。所謂的渦激振動(dòng)是指：當(dāng)波浪、海流和風(fēng)荷載在流經(jīng)結(jié)構(gòu)（一般是指細(xì)長結(jié)構(gòu)）時(shí)，在一定的流速條件下，可在結(jié)構(gòu)的兩側(cè)交替地形成強(qiáng)烈的旋渦，旋渦脫落會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)周期性的可變力，使得結(jié)構(gòu)在與流向垂直方向發(fā)生橫向振動(dòng)[10]。

由于當(dāng)雷諾數(shù)一定的情況下渦激振動(dòng)形態(tài)和強(qiáng)度往往與約化速度有關(guān)，下面給出了約化速度的表達(dá)式：

式中：Ur為約化速度；U為水流速度；fn為圓柱體的固有頻率；D為圓柱體的直徑。換算得到潛艇不同航速下的約化速度如表2所示。

下面來分析振動(dòng)原因。由于實(shí)測中升起了前后兩個(gè)潛望鏡，因此前后兩個(gè)潛望鏡可以看做是串列雙圓柱體。在均勻流場中串列雙圓柱體后，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)的旋渦發(fā)放可以產(chǎn)生渦激振動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[11] 可知，和單圓柱繞流的情況相比，串列雙圓柱繞流的圓柱周圍流動(dòng)更加復(fù)雜。當(dāng)圓柱間距比L/D（L為兩圓柱中心的間距，D為圓柱直徑）較小時(shí)，下游圓柱的存在會(huì)顯著改變上游圓柱的尾流形態(tài)，只有當(dāng)間距比超過臨界值(與雷諾數(shù)、圓柱長徑比等有關(guān)）時(shí)，下游圓柱對上游圓柱的影響才可以忽略。與之不同，上游圓柱對下游圓柱的影響則會(huì)一直延續(xù)到很大的間距比[12]。圖10與圖11為文獻(xiàn)[11] 給出的無量綱化的不同圓柱間距比L/D情況下的結(jié)構(gòu)最大振幅（上游圓柱與下游圓柱）隨約化速度變化的情況。

表2約化速度列表Tab.2 Reduced velocity of different speeds

圖10上游圓柱最大振幅隨約化速度變化情況Fig.10 Variation of the maximum amplitude with the reduced velocity at different spacing ratios of upper cylinder

由于兩潛望鏡之間的距離L=1.565 m、直徑D=0.18 m，所以可得L/D=8.7。與單圓柱相比，串列雙圓柱的下游圓柱鎖定區(qū)間開始的約化速度要大于單圓柱的情況，鎖定區(qū)間的范圍也明顯更寬。下游圓柱振幅達(dá)到最大值以后，隨著約化速度的增加，振幅出現(xiàn)不同程度的下降，間距比越小，其下降速度越慢。這說明潛艇以8.3 kns航速潛望時(shí)，潛望鏡的振動(dòng)相對較小，沒有發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象；而潛艇在以10 kns的航速運(yùn)動(dòng)的時(shí)侯，約化速度為4.9，同時(shí)發(fā)生流向共振和橫向共振。而且橫向振動(dòng)情況大于流向振動(dòng)情況。以上對渦激振動(dòng)分析的結(jié)論與實(shí)測現(xiàn)象相吻合，說明3-1工況下確實(shí)發(fā)生了渦激振動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 擬靜水流力分析

2.3.1 潛望鏡水流載荷分析

根據(jù)實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)可以看出，潛望鏡在水流力的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)問題。因此所測應(yīng)變是動(dòng)應(yīng)變。根據(jù)實(shí)測動(dòng)應(yīng)變曲線，可以得到不同工況下的被測截面應(yīng)變的最大值，但得到的被測截面的最大應(yīng)變值并不是整個(gè)潛望鏡的最大應(yīng)變。由分析可知，潛望鏡危險(xiǎn)截面即應(yīng)變最大點(diǎn)在上導(dǎo)套與潛望鏡接觸處。所以需要根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)推算潛望鏡的最大應(yīng)變值。

圖11下游圓柱最大振幅隨約化速度變化情況Fig.11 Variation of the maximum amplitude with the reduced velocity at different spacing ratios of downstream cylinder

圖12潛望鏡水流力分析示意圖Fig.12 Analysis diagram on flow force

分析被測截面與危險(xiǎn)截面之間的關(guān)系，如圖12所示。由于水流分布比較復(fù)雜，無法給出準(zhǔn)確的水流分布情況。水流力的分布形式介于三角形荷載與均布荷載之間[13]。其中均布荷載可以等效為（只考慮導(dǎo)流罩內(nèi)潛望鏡的受力情況）作用在距底面1/2處的集中荷載（F1）；三角形荷載可以等效為距底面1/3處的集中荷載（F2）。根據(jù)測量到的應(yīng)變值是不變的，即被測截面所受的彎矩的大小M0是不變的。所以在這兩種等效荷載作用下，導(dǎo)套處的彎矩是不同的，而導(dǎo)套處的真實(shí)彎矩Mmax應(yīng)該是介于這兩種情況之間的，即

由幾何條件推導(dǎo)得到：

故實(shí)際的擬靜水流載荷F介于上述兩種載荷之間，即：

由上述公式得到不同工況下潛望鏡上導(dǎo)套處最大應(yīng)變、應(yīng)力及擬靜水流力數(shù)據(jù)如表3所示。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，工況3-1的擬靜水流力最大，可達(dá)4.5 kN，對應(yīng)的最大應(yīng)力為44.1 MPa，占許用應(yīng)力（166 MPa）的26.6%，仍滿足強(qiáng)度要求。

進(jìn)而得到對應(yīng)的均布載荷F1和三角載荷F2分別為：

表3潛望鏡根部最大應(yīng)力應(yīng)變情況Tab.3 Maximum stress and strain of the periscope

2.3.2理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析

通過Morison公式[13]和Fluent軟件分別對潛望鏡所受的水流力進(jìn)行估算。計(jì)算時(shí)分別取8.3 kns和10 kns航速。

（1）水流載荷計(jì)算Morison公式

一般來說當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，對圓形構(gòu)件單位長度上的海流荷載F可由下式計(jì)算：

式中：F為海流力（kN/m），Uc為海流速度（m/s），Cd為水流力系數(shù)，ρ為海水密度（kg/m3)，A為單位長度構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積（m2），海流力的作用方向與海流方向相同。對于圓柱體來說Cd取為0.73；海水的密度ρ為1 020.24 kg/m3。

（2）水流力數(shù)值模擬軟件Fluent

Fluent是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD軟件之一，它是一個(gè)用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問題的專用CFD軟件。本次計(jì)算模型采用的水域是20 m×20 m×20 m正方體，潛望鏡模型通過真實(shí)的潛望鏡尺寸建立。由于潛望鏡的尺寸相對于整個(gè)水域來說很小，所以在離潛望鏡周圍較遠(yuǎn)處的水域采用六面體單元來劃分網(wǎng)格，在潛望鏡附近的水域采用四面體為主六面體為輔的網(wǎng)格來劃分，這樣也比較接近實(shí)際的情況（如圖13）。對于海水密度，黏度動(dòng)力系數(shù)，摩擦系數(shù)等參數(shù)都采用實(shí)測值設(shè)置。由于整個(gè)水域比較大，所以在模型的前后左右均設(shè)為速度邊界條件，在模型的上表面采用壓力出口邊界條件，潛望鏡處和模型的地面設(shè)為Wall邊界條件。求解器選為隱式非藕合穩(wěn)定求解器，最后通過迭代2 000次達(dá)到收斂。計(jì)算得到的潛望鏡壓力分布云圖如圖14所示。

圖13劃分網(wǎng)格后的模型圖Fig.13 Mesh model

圖14潛望鏡壓力分布云圖Fig.14 Pressure contours of periscopes

（3）結(jié)果對比分析

用Morison公式和Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表4所示。

表4水流力結(jié)果對比Tab.4 The flow forces comparison

由上面的結(jié)果可看出在8.3 kns潛望狀態(tài)下，用Fluent計(jì)算前潛望鏡的水流力（1.671 kN）與Morison公式計(jì)算的（1.687 kN）很接近，而后潛望鏡的水流力偏?。?.939 kN）。這說明Morison公式與Fluent模擬的結(jié)果比較接近，而由于前潛望鏡的遮蔽效應(yīng)，后潛望鏡的水流力要小于前潛望鏡的水流力，而Morison公式?jīng)]有考慮到遮蔽效應(yīng)。進(jìn)而與實(shí)測后潛望鏡的擬靜水流力比較，實(shí)測水流力（1.045~12.17 kN）要大于數(shù)值結(jié)果（0.939 kN）。分析其原因：一方面實(shí)測水流力不但包含潛艇航行時(shí)候產(chǎn)生的水流影響，還包含了現(xiàn)場波浪、海流等因素的影響，這些因素都會(huì)增加潛望鏡受到的水流載荷；另一方面擬靜水流力是將實(shí)測動(dòng)應(yīng)變簡化為擬靜力作用下的應(yīng)變，進(jìn)而推導(dǎo)得到的水流力，故其比真實(shí)水流載荷也要偏大一些，因此實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果也比較吻合。再比較Fluent計(jì)算的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力（5.25 MPa）與實(shí)測最大應(yīng)力（11 MPa），實(shí)測最大應(yīng)力要遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬的結(jié)果，具體原因還有待進(jìn)一步分析。但是實(shí)測值要遠(yuǎn)大于數(shù)值模擬結(jié)果（接近二倍的關(guān)系），這一現(xiàn)象需要重點(diǎn)關(guān)注和進(jìn)行更加深入的分析。

此外，在10 kns潛躍的情況下，用Fluent計(jì)算前潛望鏡的水流力（3.558 kN）與Morison公式計(jì)算的（3.062 kN）有一些差別，可能是由于潛躍情況下潛望鏡頂端不是規(guī)則的圓柱體，故Morison公式計(jì)算結(jié)果偏差較大。由于前潛望鏡的遮蔽效應(yīng)，后潛望鏡的水流力偏小，而與實(shí)測水流力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)測水流力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)值結(jié)果，甚至大于Fluent計(jì)算的前潛望鏡的水流力（3.558 kN）。同時(shí)實(shí)測結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力也遠(yuǎn)大于數(shù)值結(jié)果。由本文前面論述可知，在10 kns潛躍的工況下，潛望鏡發(fā)生了比較強(qiáng)烈的渦激振動(dòng)問題，故實(shí)測水流力及結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都很大。而數(shù)值模擬結(jié)果沒有考慮到渦激振動(dòng)的問題，故結(jié)果偏小。由上述分析可知，在10 kns航速情況下，潛望鏡所受的擬靜水流力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力都比較大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)也比較劇烈，潛望鏡存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，可能造成潛望鏡的功能失效甚至是結(jié)構(gòu)損傷。故潛艇在超過10 kns航速運(yùn)行的時(shí)候應(yīng)避免升起潛望鏡進(jìn)行潛望或進(jìn)行緊急下潛的操作。

3 結(jié) 論

潛望鏡是潛艇上的重要設(shè)施，其力學(xué)特性的分析對于潛望鏡的改良、制造或使用都具有重要參考意義。本文通過實(shí)艇實(shí)驗(yàn)對潛望鏡在不同工況下的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了測量。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，對潛望鏡的靜力與動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，主要結(jié)論歸納如下：

（1）潛艇在低于10 kns航速航行的時(shí)候，潛望鏡在水流的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)問題，但是振動(dòng)幅度較小，對潛望鏡結(jié)構(gòu)及功能影響較小。

（2）潛艇在高于10 kns航速航行的時(shí)候，潛望鏡會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的渦激振動(dòng)問題。潛望鏡的振動(dòng)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)及損傷情況。潛躍工況下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)尤為強(qiáng)烈，需要盡量避免在潛望鏡升起的情況下進(jìn)行緊急下潛操作。

（3）在沒有發(fā)生渦激振動(dòng)問題的情況下，潛望鏡的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，可以用數(shù)值方法對潛望鏡進(jìn)行分析，但是實(shí)測最大應(yīng)力情況要偏大一些，這一點(diǎn)需要重點(diǎn)關(guān)注。而在10 kns以上航速航行時(shí)候，數(shù)值結(jié)果偏小，需要結(jié)合實(shí)測結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

（4）實(shí)驗(yàn)中沒有實(shí)測到前潛望鏡的數(shù)據(jù)，對于前潛望鏡的分析可以參考后潛望鏡的實(shí)測結(jié)果并結(jié)合數(shù)值模擬的方法進(jìn)行相關(guān)分析。