反魚(yú)雷魚(yú)雷戰(zhàn)斗部觸發(fā)靈敏度仿真

王萬(wàn)帆, 曲大偉, 白照高

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反魚(yú)雷魚(yú)雷戰(zhàn)斗部觸發(fā)靈敏度仿真

王萬(wàn)帆, 曲大偉, 白照高

(海軍裝備部, 陜西 西安, 710075)

反魚(yú)雷魚(yú)雷(ATT)戰(zhàn)斗部觸發(fā)靈敏度仿真是ATT利用觸發(fā)引信引爆戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵技術(shù)。本文以ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件為平臺(tái), 建立了來(lái)襲魚(yú)雷和ATT有限元模型, 并對(duì)ATT以不同速度、不同角度撞擊來(lái)襲魚(yú)雷進(jìn)行了仿真計(jì)算, 得到了ATT的觸發(fā)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。該研究可為反魚(yú)雷武器戰(zhàn)斗部觸發(fā)敏感裝置的觸發(fā)靈敏度設(shè)計(jì)提供參考。

反魚(yú)雷魚(yú)雷; 來(lái)襲魚(yú)雷; 觸發(fā)靈敏度; 觸發(fā)敏感裝置

0 引言

反魚(yú)雷魚(yú)雷(anti-torpedo torpedo, ATT)作為一種主動(dòng)防御武器, 各國(guó)海軍對(duì)其的需求越來(lái)越明顯[1]。一旦ATT非觸發(fā)引信失靈, 直接撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), 必須要求戰(zhàn)斗部能夠感知撞擊時(shí)的沖擊響應(yīng)以輸出起爆信號(hào), 才能達(dá)到對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷毀傷的目的, 這就需要開(kāi)展ATT以不同姿態(tài)、不同速度撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究, 以確定觸發(fā)敏感裝置的觸發(fā)靈敏度指標(biāo), 確保ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)能夠及時(shí)引爆戰(zhàn)斗部[2]。

本文對(duì)ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷的幾種不同工況下的有限元模型進(jìn)行了計(jì)算, 通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析, 初步得到ATT戰(zhàn)斗部觸發(fā)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 有限元模型的建立

根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)情況, ATT以5種速度: 21.6 m/s, 18.5 m/s, 5 m/s, 2 m/s及1 m/s, 3種角度: 45°, 90°及135°撞擊來(lái)襲魚(yú)雷(見(jiàn)圖1), 這里所說(shuō)的速度和角度都是相對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷而言。

來(lái)襲魚(yú)雷的中間艙段是ATT撞擊概率較高的部位, 建模時(shí)選取來(lái)襲魚(yú)雷中間艙段, 兩端加配重以滿(mǎn)足質(zhì)量要求; ATT的頭部和戰(zhàn)雷段是此次仿真考察的重點(diǎn)部位, 建模時(shí)選取ATT的前半部分, 后面加配重以滿(mǎn)足ATT的質(zhì)量要求。這樣, 使整個(gè)模型具有對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn), 對(duì)幾何模型采用拉格朗日網(wǎng)格, 用3D實(shí)體solid 164單元進(jìn)行劃分, 由于是ATT的雷頭表面與來(lái)襲魚(yú)雷的殼體表面發(fā)生接觸, 因此這里采用單面自動(dòng)接觸算法[3-4], 其關(guān)鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_ SURFACE[5], 在模型對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束, 對(duì)ATT施加初速度, 設(shè)定求解時(shí)間等操作, 建立了ATT戰(zhàn)斗部觸發(fā)靈敏度仿真的有限元計(jì)算模型, 如圖2所示。

圖1 反魚(yú)雷魚(yú)雷(ATT)撞擊來(lái)襲魚(yú)雷示意圖

圖2 ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷數(shù)值仿真模型圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 撞擊應(yīng)力云圖

將生成的K文件導(dǎo)入LS-DYNA求解器中進(jìn)行求解, 分別得到不同工況下的計(jì)算結(jié)果。

圖3為3種典型工況下ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)典型位置處于某時(shí)刻的應(yīng)力云圖。

圖3 ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷應(yīng)力云圖

2.2 典型點(diǎn)加速度分析

在ATT殼體上沿軸向方向依次取4個(gè)典型位置點(diǎn), 其中A點(diǎn)位于ATT戰(zhàn)斗部殼體加強(qiáng)筋上, B點(diǎn)位于ATT戰(zhàn)斗部殼體薄殼上, C點(diǎn)位于ATT戰(zhàn)斗部較厚殼體上, D點(diǎn)位于安裝在ATT戰(zhàn)斗部殼體的一個(gè)組件上, 并對(duì)A, B, C, D這4點(diǎn)受到的沖擊碰撞加速度進(jìn)行考察, 如圖4所示。

圖4 典型位置點(diǎn)及坐標(biāo)系

以相對(duì)速度為5 m/s為例, 不同角度下, A, B, C, D各點(diǎn)在和方向的加速度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5。圖中由上往下方位角依次為45°, 90°, 135°?？梢钥闯? 當(dāng)ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), ATT殼體上的各點(diǎn)所受的沖擊加速度會(huì)隨時(shí)間上下振蕩, 并隨著時(shí)間的增加這種振蕩會(huì)逐漸衰減, 且在同一工況下各點(diǎn)振蕩曲線(xiàn)趨勢(shì)大致相同, 并呈現(xiàn)出近似的半正弦波形, 將各點(diǎn)在向和向加速度絕對(duì)值的最大值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 各點(diǎn)加速度絕對(duì)值的最大值

Table 1 Maximal absolute values of acceleration at different points

由表1可知, 當(dāng)ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), ATT殼體上的點(diǎn)距離撞擊點(diǎn)越近, 所受沖擊加速度絕對(duì)值的最大值一般也越大(A點(diǎn)在魚(yú)雷殼體的加強(qiáng)筋上, 所受的沖擊加速度可能會(huì)小一些), 距離撞擊點(diǎn)越遠(yuǎn), 所受的沖擊加速度絕對(duì)值的最大值也越小。

2.3 觸發(fā)靈敏度分析

根據(jù)初步的ATT戰(zhàn)斗部方案, 觸發(fā)敏感裝置預(yù)計(jì)將布置在戰(zhàn)斗部殼體上一個(gè)組件內(nèi), 若觸發(fā)敏感裝置布置在D點(diǎn), 撞擊速度分別為2 m/s和5 m/s, D點(diǎn)在方向和方向的加速度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖6和圖7(方位角度同圖5)。

圖6 v =2 m/s時(shí)D點(diǎn)加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)

圖7 v=5 m/s時(shí)D點(diǎn)加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)

由圖6和圖7可以看出, ATT在撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), 預(yù)計(jì)位置的ATT觸發(fā)敏感裝置上的點(diǎn)的加速度振蕩曲線(xiàn)會(huì)受撞擊速度和撞擊角度的影響, 但都會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸衰減, 且速度越大, 加速度振蕩持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。

加速度絕對(duì)值的最大值統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2得, 當(dāng)ATT以一定角度撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), ATT的航速越大, 預(yù)計(jì)位置的ATT觸發(fā)敏感裝置上的點(diǎn)所受到的沖擊加速度越大; 當(dāng)ATT以一定的航速和角度撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), 預(yù)計(jì)位置的ATT觸發(fā)敏感裝置上的點(diǎn)在方向上受到的沖擊加速度一般比方向上的大。

表3列出了ATT以不同航速撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)預(yù)計(jì)位置觸發(fā)敏感裝置上的點(diǎn)的加速度絕對(duì)值范圍和加速度振蕩持續(xù)時(shí)間, 這些數(shù)值為ATT觸發(fā)敏感裝置靈敏度設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

表2 D點(diǎn)加速度絕對(duì)值的最大值

Table 2 Maximal absolute values of acceleration at point D

表3 加速度范圍和振蕩持續(xù)時(shí)間

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ATT戰(zhàn)斗部觸發(fā)靈敏度的仿真研究, 得出ATT的觸發(fā)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如下。

1) 當(dāng)ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), ATT上的點(diǎn)受到?jīng)_擊的加速度值會(huì)隨著時(shí)間上下振蕩, 隨著時(shí)間的增加, 這種振蕩會(huì)逐漸衰減直到消失, 各點(diǎn)振蕩曲線(xiàn)趨勢(shì)大致相同, 并呈現(xiàn)出近似的半正弦波形, 離撞擊點(diǎn)越近, 所受到的沖擊加速度越強(qiáng)烈。

2) 當(dāng)ATT撞擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí), ATT上的各點(diǎn)所受的沖擊加速度會(huì)受到撞擊速度和角度的影響, 撞擊速度越大, 所受的沖擊加速度越大, 加速度振蕩持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。

ATT以不同航速撞擊來(lái)襲魚(yú)雷, 當(dāng)撞擊速度在1 ~21.6 m/s之間時(shí), 預(yù)計(jì)安裝位置的觸發(fā)敏感裝置上的點(diǎn)的加速度絕對(duì)值范圍和加速度振蕩持續(xù)時(shí)間為: 加速度絕對(duì)值峰值范圍為70~5587 g, 加速度振蕩持續(xù)時(shí)間在5.2 ~29.4ms之間, 該結(jié)果為觸發(fā)敏感裝置的觸發(fā)靈敏度設(shè)計(jì)提供了參考。若觸發(fā)敏感裝置布置在其他位置, 可以采用同樣的方法進(jìn)行研究。以上結(jié)論是在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上得到的, 與真實(shí)情況還有一定差距,有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 王新華, 楊迎化, 衡輝, 等. 反魚(yú)雷魚(yú)雷發(fā)展現(xiàn)狀及作戰(zhàn)使用[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2012(5): 54-58.

[2] 沈哲, 肖素娟, 南長(zhǎng)江, 等. 魚(yú)雷戰(zhàn)斗部與引信技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009: 168-170.

[3] 時(shí)黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[4] ANSYS股份有限公司北京辦事處. ANSYS/LS-DYNA算法基礎(chǔ)和使用方法[M]. 北京: 2000.

[5] 美國(guó)ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], 2003.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Simulation of Trigger Sensitivity of Anti-Torpedo Torpedo Warhead

WANG Wan-fanQU Da-weiBAI Zhao-gao

(Naval Armament Department, Xi′an 710075, China)

The trigger sensitivity simulation of anti-torpedo torpedo(ATT) warhead is the key technology for an ATT to detonate warhead by triggering fuze. We establish an incoming torpedo model and an ATT model with the finite element analysis(FEA) software ANSYS LS-DYNA, simulate the ATT hitting the incoming torpedo with different speeds and different angles, and obtain the characteristic of dynamic response. This study may benefit the sensitivity design of trigger sensitive device in ATT warhead.

anti-torpedo torpedo; incoming torpedo; trigger sensitivity; trigger sensitive device

TJ431.7

A

1673-1948(2014)05-0361-05

2014-06-02;

2014-07-25.

王萬(wàn)帆(1979-), 男, 工程師, 主要從事魚(yú)雷總體技術(shù)研究.