雷-靶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析

李靜肖, 陳彥勇, 張 濤, 許 達(dá)

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雷-靶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析

李靜肖, 陳彥勇, 張 濤, 許 達(dá)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

針對(duì)雷-靶碰撞過(guò)程中靶體結(jié)構(gòu)及碰撞環(huán)境的特殊性與復(fù)雜性, 基于船舶碰撞內(nèi)部機(jī)理, 采用流固耦合及附加質(zhì)量法對(duì)魚雷撞擊目標(biāo)靶時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了有限元仿真, 研究了碰撞過(guò)程中靶體的結(jié)構(gòu)損傷以及魚雷速度及加速度變化。仿真結(jié)果表明: 1) 撞擊過(guò)程具有很強(qiáng)的非線性特征, 撞擊角度的變化對(duì)雷體運(yùn)動(dòng)及靶體變形有一定程度的影響; 2) 魚雷撞擊速度越大, 雷頭加速度響應(yīng)峰值越高, 靶體損傷程度越大。文中所做研究可為目標(biāo)靶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)提供參考。

雷-靶碰撞; 流固耦合; 附加質(zhì)量法; 有限元仿真; 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

0 引言

隨著魚雷技術(shù)的不斷發(fā)展, 其先進(jìn)程度越來(lái)越高, 反潛訓(xùn)練對(duì)靶標(biāo)的使用要求也不斷提高。魚雷撞擊目標(biāo)靶時(shí), 雷頭引信部位加速度需達(dá)到一定幅值及脈寬才能觸發(fā)引信動(dòng)作, 因此, 靶體結(jié)構(gòu)剛度是否滿足觸發(fā)引信動(dòng)作要求是靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一[1]。由于目標(biāo)靶結(jié)構(gòu)較為特殊, 同時(shí)碰撞環(huán)境中流體作用復(fù)雜, 目前國(guó)內(nèi)外尚未有對(duì)該類碰撞問(wèn)題公開(kāi)發(fā)表的研究。因此, 建立一套適用于該類雷-靶碰撞問(wèn)題的研究方法, 并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)碰撞過(guò)程中靶體的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)目標(biāo)靶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及以后該類問(wèn)題的研究具有重要意義。對(duì)于雷-靶碰撞問(wèn)題, 其碰撞機(jī)理與船舶碰撞類似, 因此可以參考船舶碰撞的分析方法, 同時(shí)考慮雷、靶自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及碰撞環(huán)境實(shí)現(xiàn)雷-靶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析研究。目前針對(duì)水面艦船以及潛器的碰撞問(wèn)題, 主要有經(jīng)驗(yàn)法[2]、解析法[3]、有限元數(shù)值仿真[4]和試驗(yàn)方法[5]等4種方法, 文中利用ANSYS LS-DYNA非線性有限元軟件, 并結(jié)合流固耦合及附加質(zhì)量法開(kāi)展雷-靶碰撞問(wèn)題的研究。

1 雷-靶碰撞仿真計(jì)算原理

雷-靶碰撞過(guò)程中具有很強(qiáng)的非線性特性, 碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)會(huì)迅速通過(guò)彈性階段進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài), 并伴隨撕裂、屈曲等形式的破壞或失效[6]。因此可以采用顯式非線性有限元分析方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.1 顯式時(shí)間積分算法

考慮沙漏阻尼后, 雷-靶碰撞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程可表示為

采用中心差分法, 可得到加速度、速度和位移的基本遞推格式

在LS-DYNA中, 式(2)中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣為集中質(zhì)量矩陣, 得到的動(dòng)力學(xué)方程為解耦的, 因此無(wú)需進(jìn)行總體矩陣的計(jì)算以及平衡迭代, 但是該方法并不是無(wú)條件穩(wěn)定的, 為保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性, 采用變步長(zhǎng)的計(jì)算方法, 每一時(shí)刻的積分步長(zhǎng)由當(dāng)前時(shí)刻的穩(wěn)定性條件進(jìn)行控制, 積分步長(zhǎng)必須小于某一臨界值計(jì)算才能繼續(xù)進(jìn)行, 臨界時(shí)間步長(zhǎng)由下式確定[7]

1.2 接觸與摩擦計(jì)算

在雷-靶碰撞的動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題中, 接觸與摩擦是2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題, 即不同結(jié)構(gòu)界面碰撞時(shí)的接觸和相對(duì)滑動(dòng)。碰撞過(guò)程中構(gòu)件的接觸通過(guò)接觸算法進(jìn)行處理, 文中采用LS-DYNA自帶的基于主-從面的動(dòng)態(tài)接觸算法, 通過(guò)罰函數(shù)法計(jì)算接觸力, 接觸通過(guò)定義關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)自動(dòng)面雙向接觸。仿真接觸中靶體設(shè)為主面, 魚雷設(shè)為從面。

同時(shí)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力, 摩擦力可采用經(jīng)典庫(kù)倫摩擦進(jìn)行處理。摩擦力大小由下式確定

1.3 水動(dòng)作用力處理

目標(biāo)靶采用濕式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu), 碰撞過(guò)程中靶體內(nèi)外均有流體存在, 碰撞過(guò)程中不僅存在雷-靶結(jié)構(gòu)間的相互作用, 結(jié)構(gòu)與周圍流體也存在復(fù)雜的交互作用。結(jié)構(gòu)變形時(shí)會(huì)引起流體的運(yùn)動(dòng), 繼而導(dǎo)致流體作用于結(jié)構(gòu)的載荷大小及分布發(fā)生變化, 相反, 流體載荷的變化同樣會(huì)影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。針對(duì)靶體結(jié)構(gòu)的特殊性以及流固耦合的復(fù)雜性, 采用流固耦合法和附加質(zhì)量法相結(jié)合的方式對(duì)水動(dòng)作用力進(jìn)行求解。對(duì)靶體與其外表面周圍流體間的相互作用采用計(jì)算精度高的流固耦合法進(jìn)行求解; 對(duì)于靶體內(nèi)部濕式區(qū)域, 采用附加質(zhì)量法將流體介質(zhì)的動(dòng)力影響以附加質(zhì)量的形式附加到靶體上, 即可保證碰撞區(qū)域的計(jì)算精度, 又可減少建模工作量, 提高計(jì)算效率。采用流固耦合法建模時(shí), 結(jié)構(gòu)體采用Largrange單元模擬, 流體域采用Euler單元模擬, 并通過(guò)耦合控制方程將二者聯(lián)系, 使相互作用力通過(guò)耦合面發(fā)生傳遞與轉(zhuǎn)換, 所采用流固耦合控制方程[8]

式中: 下標(biāo)和分別代表靶體及周圍流體; 為質(zhì)量矩陣, ;和分別為靶體位移向量和水壓; 為阻尼矩陣;為剛度矩陣, ;; 為壓力單元形函數(shù)矩陣;為結(jié)構(gòu)位移函數(shù); 為流體邊界法向量;是一個(gè)耦合矩陣, 表示流-固界面節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系的有效面積及界面上的法線節(jié)點(diǎn)力的矢量; 為結(jié)構(gòu)作用力; 為流體作用力。圖1為采用流固耦合法所建立的模型示意圖。

附加質(zhì)量通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算, 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9-11], 水下物體縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量分別為

式中,為靶體質(zhì)量, 文中靶體縱蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量系數(shù)取0.04, 橫蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量系數(shù)取0.5。

2 雷-靶碰撞數(shù)值仿真與分析

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 目標(biāo)靶模型

目標(biāo)靶為圓柱形回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu), 靶體板殼結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行建模, 靶體內(nèi)部框架采用梁?jiǎn)卧！０畜w撞擊區(qū)域網(wǎng)格尺寸為60 mm, 非撞擊區(qū)域網(wǎng)格尺寸為150 mm。目標(biāo)靶體材料為雙線性各向同性硬化彈塑性材料模型。模型坐標(biāo)系以靶體長(zhǎng)度方向?yàn)檩S, 其中沿艏部方向?yàn)檎? 靶體寬度方向?yàn)檩S, 其中左舷為正方向; 型深方向?yàn)檩S, 其中垂直于基線向上為正方向。靶體有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 靶體有限元模型

2.1.2 魚雷模型

根據(jù)相關(guān)資料建立魚雷模型, 考慮到碰撞過(guò)程中只有雷頭及后續(xù)一部分結(jié)構(gòu)參與整個(gè)碰撞歷程, 因此在魚雷中后部建立實(shí)體, 通過(guò)調(diào)整密度使模型質(zhì)量與全雷實(shí)際質(zhì)量相同。魚雷艏端覆蓋有橡膠硫化層, 硫化層采用六面體實(shí)體單元模擬, 雷體金屬結(jié)構(gòu)采用六面體實(shí)體單元及六節(jié)點(diǎn)三棱柱單元模擬, 尾部采用六面體實(shí)體單元模擬, 魚雷有限元網(wǎng)格尺寸為30 mm。魚雷艏端硫化橡膠為超彈性材料模型, 中前段金屬為雙線性各向同性硬化彈塑性材料模型, 后段配重區(qū)域?yàn)閯傮w材料模型。魚雷有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 魚雷有限元模型

2.1.3 流場(chǎng)模型

碰撞流體域采用圓柱區(qū)域, 直徑為目標(biāo)靶4倍直徑, 長(zhǎng)30 m, 采用六面體網(wǎng)格劃分, 撞擊區(qū)域附近網(wǎng)格大小為60 mm, 非碰撞區(qū)域網(wǎng)格大小為100~150 mm。材料為NULL材料。魚雷、目標(biāo)靶及流場(chǎng)有限元網(wǎng)格總量約140萬(wàn)。流場(chǎng)有限元模型見(jiàn)圖4, 碰撞系統(tǒng)有限元模型見(jiàn)圖5, 各區(qū)域材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 流場(chǎng)有限元模型

圖 5 碰撞有限元模型

表1 仿真計(jì)算所用材料參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

選取靶體2條環(huán)肋間隔最大處作為典型撞擊部位, 雷體分別以22 kn、30 kn和38 kn速度以30o、60o和90o角度撞擊靶體。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)分析碰撞過(guò)程中魚雷的速度時(shí)歷曲線以及加速度時(shí)歷曲線可得到碰撞過(guò)程中魚雷的運(yùn)動(dòng)情況以及靶體各結(jié)構(gòu)件變形失效時(shí)序。

2.3.1 靶體碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷變形

圖6反映了22 kn速度3種碰撞角度工況下靶體碰撞結(jié)構(gòu)損傷變形圖。從圖中可以看出, 結(jié)構(gòu)變形主要集中在撞擊過(guò)程中雷靶接觸區(qū)域, 距離碰撞區(qū)域較遠(yuǎn)的非碰撞區(qū)域并未出現(xiàn)形變, 類似剛體結(jié)構(gòu), 僅以質(zhì)量及慣性的形式對(duì)靶體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響, 碰撞過(guò)程中靶體蒙皮變形程度隨碰撞角度的增加愈發(fā)明顯, 同時(shí)蒙皮損壞的形狀特征與雷頭的形狀有關(guān)。從90o碰撞變形圖可以發(fā)現(xiàn), 在此工況下, 靶體蒙皮區(qū)域仿真單元出現(xiàn)了失效, 表明碰撞區(qū)域蒙皮出現(xiàn)了撕裂及開(kāi)口。

圖6 22 kn速度下靶體蒙皮結(jié)構(gòu)損傷變形圖

2.3.2 魚雷運(yùn)動(dòng)

圖7反映了碰撞過(guò)程中魚雷向速度分量的時(shí)歷曲線, 0時(shí)刻曲線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)表示碰撞開(kāi)始瞬間魚雷的初速度分量。雷體材料與靶體材料相比剛度更大, 更不易變形, 僅在碰撞發(fā)生后短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極小變形, 因此通過(guò)雷頭中后部監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度變化來(lái)分析雷體運(yùn)動(dòng)。從圖中可以看出在22 kn撞擊速度下, 雷頭接觸靶體蒙皮后蒙皮產(chǎn)生變形, 雷體速度急劇減小隨之衰減至0, 但由于靶體蒙皮及內(nèi)部框架的內(nèi)力釋放以及水動(dòng)力的作用, 雷體從蒙皮表面彈開(kāi), 速度增加, 一定時(shí)間后, 由于慣性以及水動(dòng)力的影響, 雷體速度趨于平穩(wěn), 在一定范圍內(nèi)震蕩。

30 kn碰撞時(shí), 30o和60o工況下魚雷速度變化與22 kn相同, 均是在碰撞前期迅速衰減后, 由于魚雷從蒙皮表面彈開(kāi), 速度反向增加。當(dāng)碰撞角度為90o時(shí), 魚雷速度雖在碰撞前期迅速衰減, 但由于蒙皮強(qiáng)度達(dá)到極限, 發(fā)生失效破壞, 碰撞力卸載, 雷體穿透靶體向靶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng), 在慣性及水動(dòng)力作用下雷體速度震蕩并趨于穩(wěn)定。38 kn工況下, 30o碰撞時(shí)雷體同樣出現(xiàn)了反彈, 魚雷速度減小至0后反向增加。而60o及90o工況下雷體穿透蒙皮, 向靶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng), 雷體速度在碰撞后期緩慢減小。

圖7 不同工況下的魚雷速度時(shí)歷曲線

對(duì)比不同撞擊角度結(jié)果發(fā)現(xiàn), 碰撞發(fā)生后魚雷速度迅速衰減, 隨著碰撞角度的增加, 雷體速度衰減會(huì)有一定程度的延后, 這是由于不同撞擊角度下, 雷頭觸及靶體后各結(jié)構(gòu)件變形程度不同, 從而導(dǎo)致魚雷速度衰減的程度不同。同時(shí)小角度撞擊下, 由于雷體與靶體蒙皮接觸面小, 雷體撞擊到蒙皮后產(chǎn)生反彈, 未穿透蒙皮, 隨撞擊角度的增加, 魚雷會(huì)穿透蒙皮繼續(xù)朝靶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。

圖8反映了在22 kn速度90o工況時(shí)碰撞過(guò)程整個(gè)系統(tǒng)的能量變化。從圖中可以看出, 發(fā)生碰撞后, 系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能, 表現(xiàn)為動(dòng)能曲線急劇減小, 內(nèi)能曲線增加, 當(dāng)碰撞結(jié)束后兩曲線趨于平穩(wěn), 極值點(diǎn)位置出現(xiàn)時(shí)間也與速度曲線相對(duì)應(yīng)。在碰撞過(guò)程中由于阻力、滑移及沙漏效應(yīng)等影響, 能量轉(zhuǎn)化過(guò)程出現(xiàn)損耗, 即為圖中其余能。

圖8 能量變化時(shí)歷曲線

圖9~圖 11反映了碰撞過(guò)程中雷頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位的加速度時(shí)歷曲線, 由圖中曲線可知, 碰撞過(guò)程中加速度曲線呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性特征, 在不同的碰撞階段, 雷頭部位加速度出現(xiàn)不同程度的卸載。30°碰撞時(shí), 碰撞前期雷頭加速度出現(xiàn)了明顯的大脈寬區(qū)域, 這說(shuō)明在此工況下靶體蒙皮為明顯的塑性變形, 并且變形較慢。隨著碰撞速度的增大, 雷頭加速度在碰撞前期呈現(xiàn)出明顯的窄脈寬大幅值的卸載現(xiàn)象, 說(shuō)明碰撞發(fā)生后蒙皮產(chǎn)生的塑性變形大、歷程短, 并伴有失效和破壞。碰撞結(jié)束后, 由于慣性和碰撞區(qū)域周圍流體的作用, 雷體加速度并未迅速衰減為零, 而是在一定幅值范圍內(nèi)震蕩, 并趨于平穩(wěn)。

在碰撞發(fā)生開(kāi)始后15 ms內(nèi), 雷頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位加速度迅速增加, 出現(xiàn)較大幅值和脈寬區(qū)域, 該區(qū)域的幅值脈寬可包絡(luò)滿足魚雷觸發(fā)引信動(dòng)作所要求的幅值及脈寬, 且具有較大余量。該結(jié)果說(shuō)明在上述計(jì)算的工況范圍內(nèi), 目標(biāo)靶靶體剛度滿足魚雷觸發(fā)引信動(dòng)作要求。同時(shí), 隨著碰撞角度和速度的增加, 碰撞前期監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位幅值及脈寬更大, 更能滿足魚雷觸發(fā)引信動(dòng)作要求。

圖9 22 kn工況下雷頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)歷曲線

圖10 30 kn工況下雷頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)歷曲線

圖11 38 kn工況下雷頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)歷曲線

3 結(jié)論

文中針對(duì)魚雷與目標(biāo)靶碰撞問(wèn)題, 基于流固耦合及附加質(zhì)量法, 利用LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)不同撞擊速度及角度工況下的碰撞過(guò)程進(jìn)行了仿真, 得到了碰撞過(guò)程中靶體結(jié)構(gòu)損傷以及雷體運(yùn)動(dòng)情況。

1) 撞擊角度的變化對(duì)雷體運(yùn)動(dòng)及靶體變形有一定程度的影響, 碰撞角度增大, 靶體蒙皮變形失效程度增加, 魚雷穿透蒙皮繼續(xù)向靶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的可能性增加。

2) 魚雷撞擊速度越大, 雷頭加速度響應(yīng)峰值越高, 出現(xiàn)時(shí)間越早, 但其隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。且碰撞速度越大, 靶體損傷程度越大。

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Simulation on Structural Response of Torpedo-Target Collision

LIJing-xiao, CHEN Yan-yong, ZHANG Tao, XU Da

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

In view of the particularity and complexity of target structure and collision environment in the collision process of a torpedo and a target, the internal mechanism of ship collision is utilized and the fluid-solid coupling and additional mass method are employed to carry out finite element simulation of the structural response of a torpedo when it hits a target. The structural damage of a target and the variation of torpedo velocity and acceleration during collision are studied. Simulation results show that: 1) The hitting process has strong nonlinear characteristics, and the hitting angle has a certain influence on the motion of a torpedo and the deformation of a target; 2) The higher the torpedo hitting velocity is, the higher the peak acceleration response of torpedo head and the damage degree of target become. This research may provide a reference for the structure design and dynamic characteristic design of targets.

torpedo-target collision; fluid-solid coupling; additional mass method; finite element simulation; structural response

李靜肖, 陳彥勇, 張濤, 等. 雷-靶碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(1): 87-92.

TJ630.3; TB122

A

2096-3920(2019)01-0087-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.015

2018-09-20;

2018-11-25.

李靜肖(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)