自航式實體模擬目標(biāo)受魚雷撞擊沖擊力計算仿真

謝志強，向小梅

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引 言

自航式實體模擬目標(biāo)與潛艇外形相似，能滿足魚雷對體目標(biāo)識別所需的外形尺寸大小，具有潛艇聲、磁目標(biāo)特性和機動特性，能夠?qū)π滦汪~雷垂直面命中精度、魚雷觸發(fā)引信和非觸發(fā)引信動作、攻擊體目標(biāo)時的脫靶量這3項重要戰(zhàn)技指標(biāo)進(jìn)行考核，能夠?qū)崿F(xiàn)對魚雷全系統(tǒng)、全鏈路、全性能進(jìn)行綜合考核，對于考核魚雷的技戰(zhàn)術(shù)性能具有重要意義

自航式實體模擬目標(biāo)的建設(shè)是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實施難度大，安全性設(shè)計方面要求很高，尤其是在試驗實施過程中，魚雷將直接撞擊實體模擬目標(biāo)，必須要在總體設(shè)計時加以充分論證，進(jìn)行可靠的安全防護設(shè)計，以保證實體模擬目標(biāo)以及魚雷的安全。本文采用Abaqus/Explicit求解器，根據(jù)某重型魚雷、自航式實體模擬目標(biāo)幾何模型以及材料參數(shù)，進(jìn)行有限元分析，對水下魚雷撞擊實體模擬目標(biāo)所受沖擊力進(jìn)行仿真計算，獲取魚雷在不同角度沖擊情況下實體模擬目標(biāo)的動態(tài)響應(yīng)，為自航式實體模擬目標(biāo)的總體設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，為實體模擬目標(biāo)的安全防護設(shè)計提供理論支撐。

1 仿真建模

1.1 自航式實體模擬目標(biāo)幾何模型及材料參數(shù)

自航式實體模擬目標(biāo)外形上模擬現(xiàn)役常規(guī)潛艇形狀，設(shè)計為細(xì)長筒體雙層結(jié)構(gòu)，總長30 m，外層殼體直徑4.0 m，內(nèi)層殼體直徑3.0 m，模擬目標(biāo)外層與內(nèi)層通過筋板聯(lián)接，雙層之間可透水，外層殼體厚5 mm，內(nèi)層殼體厚13 mm，中間筋板厚5 mm，材料為AH32船用鋼，密度為7 850.0 kg/m3，彈性模量為205.8 GPa，屈服強度315 MPa。自航式實體模擬目標(biāo)三維示意圖如圖1所示。

1.2 魚雷幾何模型及材料參數(shù)

圖 1 自航式實體模擬目標(biāo)三維示意圖Fig. 1 The diagrammatic sketch of the self-propelled entity target

魚雷采用某重型電動力魚雷模型，魚雷模型分為橡膠頭部、殼體和環(huán)向加強筋3部分，雷頭長300.0 mm，頂部截面直徑260.0 mm。殼體直徑524.0 mm，厚5.0 mm。殼體部分的加強筋為矩形截面，寬10 mm，高12 mm。雷頭采用硫化橡膠材料，密度為1 068.0 kg/m3，殼體為鋁合金，密度為2 700.0 kg/m3，彈性模量71.6 GPa，屈服強度167.0 MPa。魚雷幾何模型如圖2所示。

圖 2 魚雷幾何模型Fig. 2 The diagrammatic sketch of the torpedo

2 附加質(zhì)量計算

本文研究的撞擊沖擊力計算實際為水下沖擊，將水下流體環(huán)境效應(yīng)以附加質(zhì)量的形式附于雷體和自航式實體模擬目標(biāo)上。自航式實體模擬目標(biāo)和雷體的附加質(zhì)量可以通過FLuent軟件進(jìn)行計算。

自航式實體模擬目標(biāo)附加質(zhì)量計算的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，雷體附加質(zhì)量計算的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。其中，兩者均以浮心為坐標(biāo)原點，軸向和橫向分別為1軸和2軸。自航式實體模擬目標(biāo)計算獲取的附加質(zhì)量矩陣（單位kg）為：

魚雷計算獲取的附加質(zhì)量矩陣（單位kg）為：

圖 3 實體模擬目標(biāo)附加質(zhì)量計算網(wǎng)格劃分示意圖Fig. 3 The mesh model of the additional mass calculation of the self-propelled entity target

圖 4 魚雷附加質(zhì)量計算網(wǎng)格劃分示意圖Fig. 4 The mesh model of the additional mass calculation of the torpedo

3 沖擊有限元計算

3.1 網(wǎng)格劃分

1）雷體

殼體采用殼單元，雷頭采用正六面體實體單元，加強筋采用梁單元。雷體整體網(wǎng)格、橡膠雷頭網(wǎng)格、加強筋與殼體網(wǎng)格如圖5所示。

2）模擬目標(biāo)

模擬目標(biāo)殼體及環(huán)向筋板均采用殼單元，與雷體發(fā)生沖擊的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。模擬目標(biāo)整體網(wǎng)格劃分以及加密區(qū)域網(wǎng)格如圖6所示。本文撞擊角度定義為實體模擬目標(biāo)接觸面法向與魚雷速度方向的夾角。

3.2 質(zhì)量分布

1）自重

魚雷1.27 t，實體模擬目標(biāo)300 t。模擬目標(biāo)和魚雷的自重分別通過質(zhì)量點的形式均布于殼體上。

2）流體附加質(zhì)量

圖 5 魚雷網(wǎng)格劃分Fig. 5 The mesh model of the torpedo

圖 6 不同角度撞擊時的魚雷和目標(biāo)網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig. 6 The mesh model of torpedo and target in the different impact angle

采用Fluent軟件計算實體模擬目標(biāo)和魚雷的附加質(zhì)量。魚雷沿軸向運動，軸向加速度效應(yīng)明顯，因此考慮其軸向附加質(zhì)量，本文取23.40 kg。由于沖擊過程中實體模擬目標(biāo)所受沖擊作用力主要沿實體模擬目標(biāo)橫向，即實體模擬目標(biāo)橫向可能存在加速度響應(yīng)。因此考慮模擬目標(biāo)橫向附加質(zhì)量，本文取560.465×103 kg。

3.3 邊界條件

1）雷體沖擊速度

雷體沖擊速度為25 m/s。

2）模擬目標(biāo)運動速度

實際模擬目標(biāo)速度為6 kn（軸向），由于沖擊方向為其橫向，因此可近似認(rèn)為靜止?fàn)顟B(tài)。

4 計算結(jié)果分析

4.1 接觸力

根據(jù)撞擊位置位于筋板正上方和偏離筋板2種情況，針對每個沖擊角度下的計算工況分別進(jìn)行計算，撞擊位置位于筋板正上方的正撞擊力時程曲線如圖7所示，撞擊位置偏離筋板的正撞擊力時程曲線如圖8所示。沖擊過程中，由于橡膠雷頭發(fā)生的壓縮變形過大，甚至陷入雷體殼體中，導(dǎo)致發(fā)生了金屬殼體與模擬目標(biāo)的二次撞擊。因次，對應(yīng)的法向接觸力時程曲線出現(xiàn)2個明顯的峰值。

圖 7 撞擊位置位于筋板正上方的正撞擊力時程曲線Fig. 7 Normal contact force time history of impacting above plate

圖 8 撞擊位置偏離筋板的正撞擊力時程曲線Fig. 8 Normal contact force time history of impacting deviate plate

撞擊位置偏離筋板正上方時，0°角撞擊時目標(biāo)法向接觸力峰值最大，隨著沖擊角度的增大，該接觸力峰值逐漸減小。撞擊位置位于筋板正上方時，與偏離筋板正上方結(jié)果類似，也是0°角撞擊時實體模擬目標(biāo)法向接觸力峰值最大。并且，隨著沖擊角度的增大，實體模擬目標(biāo)接觸面法向接觸力峰值逐漸減小。30°和45°撞擊條件下，撞擊于筋板正上方的法向接觸力峰值均大于偏離筋板正上方的結(jié)果值。但是，60°沖擊條件下，由于傾斜角度過大，沖擊過程中魚雷偏轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯，導(dǎo)致撞擊于筋板正上方的法向接觸力峰值小于偏離筋板正上方的結(jié)果值。

4.2 變形

模擬目標(biāo)撞擊中心位置沿其接觸面法向的位移時程曲線如圖9所示。不同角度撞擊條件下，法向位移首先隨著時間的增加逐漸增大，然后降低（對應(yīng)回彈過程），最后保持穩(wěn)定。最后的法向位移穩(wěn)定值即為實體模擬目標(biāo)發(fā)生的永久變形（塑性變形），對應(yīng)成坑損傷。相同角度沖擊條件下，撞擊于筋板正上方時實體模擬目標(biāo)發(fā)生的永久變形明顯低于撞擊位置偏離筋板正上方的變形結(jié)果。這也表明了筋板的抵抗變形作用。另一方面，隨著沖擊角度的增大，實體模擬目標(biāo)撞擊中心位置發(fā)生的永久變形逐漸減小。這與實體模擬目標(biāo)接觸面法向接觸力峰值隨沖擊角度的變化規(guī)律一致。

圖 9 目標(biāo)撞擊中心位置法向位移時程曲線Fig. 9 Displacement time history of impact centre

采用矩形區(qū)域近似描述實體模擬目標(biāo)發(fā)生變形的面積，即成坑區(qū)域面積，如圖10所示。測量獲取的變形面積特征參數(shù)列于表1，偏離筋板撞擊條件下，正撞擊時船體發(fā)生成坑變形的面積最大，達(dá)到7.5 m×2.3 m。撞擊于筋板正上方條件下，也是正撞擊時船體發(fā)生成坑變形的面積最大，達(dá)到7.6 m×2.0 m。

圖 10 目標(biāo)永久變形區(qū)域矩形近似測量示意圖Fig. 10 The diagrammatic sketch of permanent deformation of target

表 1 魚雷撞擊目標(biāo)有限元分析結(jié)果特征參數(shù)表Tab. 1 The characteristic parameter of finite element analysis when torpedo impact the target

4.3 塑性應(yīng)變

魚雷撞擊目標(biāo)有限元分析結(jié)果特征參數(shù)匯總?cè)绫?所示。撞擊位置偏離筋板正上方時，目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變值隨著撞擊角度的增加逐漸降低。如圖11所示為0°撞擊偏離筋板正上方時目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變所在位置圖。這也表明正撞擊條件下目標(biāo)發(fā)生的損傷最嚴(yán)重，此時目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變值為0.16，并且位于筋板與目標(biāo)內(nèi)部殼體連接的部位。

圖 11 0°撞擊偏離筋板正上方時目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變所在位置Fig. 11 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact above plate in 0°

撞擊位置位于筋板正上方時，正撞擊條件下目標(biāo)等效塑性最大值明顯大于其他斜撞擊條件下的結(jié)果。如圖12所示為0°撞擊于筋板正上方時目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變所在位置圖。此時，最大等效塑性應(yīng)變值達(dá)0.53，但位于筋板上。說明由于此時筋板發(fā)生明顯的壓曲變形，導(dǎo)致筋板上等效塑性應(yīng)變明顯大于其他部位，實屬正常現(xiàn)象。60°撞擊于筋板正上方時的等效塑性應(yīng)變結(jié)果與正撞擊結(jié)果類似，也是筋板壓屈變形明顯，導(dǎo)致筋板上局部塑形應(yīng)變過大。

圖 12 0°撞擊于筋板正上方時目標(biāo)最大等效塑性應(yīng)變所在位置Fig. 12 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact deviate plate in 0°

5 結(jié) 語

本文采用有限元分析法，對大型魚雷操雷以50 kn的速度從不同方向撞擊實體靶目標(biāo)所受沖擊力進(jìn)行仿真計算，得出了魚雷從不同方向撞擊自航式實體模擬目標(biāo)的撞擊力，并從自航式實體模擬目標(biāo)的變形以及塑性應(yīng)變出發(fā)，得出了在此種工況下受魚雷撞擊的自航式實體模擬目標(biāo)內(nèi)層密封腔不破損的結(jié)論，為自航式實體模擬目標(biāo)的安全防護設(shè)計打下堅實理論基礎(chǔ)。