雷-靶碰撞結構響應仿真分析

李靜肖, 陳彥勇, 張 濤, 許 達

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雷-靶碰撞結構響應仿真分析

李靜肖, 陳彥勇, 張 濤, 許 達

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

針對雷-靶碰撞過程中靶體結構及碰撞環境的特殊性與復雜性, 基于船舶碰撞內部機理, 采用流固耦合及附加質量法對魚雷撞擊目標靶時的結構響應進行了有限元仿真, 研究了碰撞過程中靶體的結構損傷以及魚雷速度及加速度變化。仿真結果表明: 1) 撞擊過程具有很強的非線性特征, 撞擊角度的變化對雷體運動及靶體變形有一定程度的影響; 2) 魚雷撞擊速度越大, 雷頭加速度響應峰值越高, 靶體損傷程度越大。文中所做研究可為目標靶的結構設計及動態特性設計提供參考。

雷-靶碰撞; 流固耦合; 附加質量法; 有限元仿真; 結構響應

0 引言

隨著魚雷技術的不斷發展, 其先進程度越來越高, 反潛訓練對靶標的使用要求也不斷提高。魚雷撞擊目標靶時, 雷頭引信部位加速度需達到一定幅值及脈寬才能觸發引信動作, 因此, 靶體結構剛度是否滿足觸發引信動作要求是靶體結構設計的關鍵之一[1]。由于目標靶結構較為特殊, 同時碰撞環境中流體作用復雜, 目前國內外尚未有對該類碰撞問題公開發表的研究。因此, 建立一套適用于該類雷-靶碰撞問題的研究方法, 并準確預報碰撞過程中靶體的動力響應對目標靶結構設計及以后該類問題的研究具有重要意義。對于雷-靶碰撞問題, 其碰撞機理與船舶碰撞類似, 因此可以參考船舶碰撞的分析方法, 同時考慮雷、靶自身結構特點以及碰撞環境實現雷-靶碰撞結構響應分析研究。目前針對水面艦船以及潛器的碰撞問題, 主要有經驗法[2]、解析法[3]、有限元數值仿真[4]和試驗方法[5]等4種方法, 文中利用ANSYS LS-DYNA非線性有限元軟件, 并結合流固耦合及附加質量法開展雷-靶碰撞問題的研究。

1 雷-靶碰撞仿真計算原理

雷-靶碰撞過程中具有很強的非線性特性, 碰撞區域的結構會迅速通過彈性階段進入塑性流動狀態, 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該問題進行分析。

1.1 顯式時間積分算法

考慮沙漏阻尼后, 雷-靶碰撞過程的動力學方程可表示為

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)中的結構質量矩陣為集中質量矩陣, 得到的動力學方程為解耦的, 因此無需進行總體矩陣的計算以及平衡迭代, 但是該方法并不是無條件穩定的, 為保證數值計算的穩定性, 采用變步長的計算方法, 每一時刻的積分步長由當前時刻的穩定性條件進行控制, 積分步長必須小于某一臨界值計算才能繼續進行, 臨界時間步長由下式確定[7]

1.2 接觸與摩擦計算

在雷-靶碰撞的動態接觸問題中, 接觸與摩擦是2個關鍵問題, 即不同結構界面碰撞時的接觸和相對滑動。碰撞過程中構件的接觸通過接觸算法進行處理, 文中采用LS-DYNA自帶的基于主-從面的動態接觸算法, 通過罰函數法計算接觸力, 接觸通過定義關鍵字實現自動面雙向接觸。仿真接觸中靶體設為主面, 魚雷設為從面。

同時發生相對滑動的結構件之間會產生摩擦力, 摩擦力可采用經典庫倫摩擦進行處理。摩擦力大小由下式確定

1.3 水動作用力處理

目標靶采用濕式回轉結構, 碰撞過程中靶體內外均有流體存在, 碰撞過程中不僅存在雷-靶結構間的相互作用, 結構與周圍流體也存在復雜的交互作用。結構變形時會引起流體的運動, 繼而導致流體作用于結構的載荷大小及分布發生變化, 相反, 流體載荷的變化同樣會影響結構的運動。針對靶體結構的特殊性以及流固耦合的復雜性, 采用流固耦合法和附加質量法相結合的方式對水動作用力進行求解。對靶體與其外表面周圍流體間的相互作用采用計算精度高的流固耦合法進行求解; 對于靶體內部濕式區域, 采用附加質量法將流體介質的動力影響以附加質量的形式附加到靶體上, 即可保證碰撞區域的計算精度, 又可減少建模工作量, 提高計算效率。采用流固耦合法建模時, 結構體采用Largrange單元模擬, 流體域采用Euler單元模擬, 并通過耦合控制方程將二者聯系, 使相互作用力通過耦合面發生傳遞與轉換, 所采用流固耦合控制方程[8]

式中: 下標和分別代表靶體及周圍流體; 為質量矩陣, ;和分別為靶體位移向量和水壓; 為阻尼矩陣;為剛度矩陣, ;; 為壓力單元形函數矩陣;為結構位移函數; 為流體邊界法向量;是一個耦合矩陣, 表示流-固界面節點相互聯系的有效面積及界面上的法線節點力的矢量; 為結構作用力; 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。

附加質量通過經驗公式進行計算, 根據相關文獻[9-11], 水下物體縱蕩和橫蕩運動時的附加質量分別為

式中,為靶體質量, 文中靶體縱蕩運動時的附加質量系數取0.04, 橫蕩運動時的附加質量系數取0.5。

2 雷-靶碰撞數值仿真與分析

2.1 計算模型

2.1.1 目標靶模型

目標靶為圓柱形回轉結構, 靶體板殼結構采用殼單元進行建模, 靶體內部框架采用梁單元建模。靶體撞擊區域網格尺寸為60 mm, 非撞擊區域網格尺寸為150 mm。目標靶體材料為雙線性各向同性硬化彈塑性材料模型。模型坐標系以靶體長度方向為軸, 其中沿艏部方向為正; 靶體寬度方向為軸, 其中左舷為正方向; 型深方向為軸, 其中垂直于基線向上為正方向。靶體有限元模型見圖2。

圖2 靶體有限元模型

2.1.2 魚雷模型

根據相關資料建立魚雷模型, 考慮到碰撞過程中只有雷頭及后續一部分結構參與整個碰撞歷程, 因此在魚雷中后部建立實體, 通過調整密度使模型質量與全雷實際質量相同。魚雷艏端覆蓋有橡膠硫化層, 硫化層采用六面體實體單元模擬, 雷體金屬結構采用六面體實體單元及六節點三棱柱單元模擬, 尾部采用六面體實體單元模擬, 魚雷有限元網格尺寸為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, 后段配重區域為剛體材料模型。魚雷有限元模型見圖3。

圖3 魚雷有限元模型

2.1.3 流場模型

碰撞流體域采用圓柱區域, 直徑為目標靶4倍直徑, 長30 m, 采用六面體網格劃分, 撞擊區域附近網格大小為60 mm, 非碰撞區域網格大小為100~150 mm。材料為NULL材料。魚雷、目標靶及流場有限元網格總量約140萬。流場有限元模型見圖4, 碰撞系統有限元模型見圖5, 各區域材料參數見表1。

圖4 流場有限元模型

圖 5 碰撞有限元模型

表1 仿真計算所用材料參數

2.2 計算工況

選取靶體2條環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 計算結果分析

通過分析碰撞過程中魚雷的速度時歷曲線以及加速度時歷曲線可得到碰撞過程中魚雷的運動情況以及靶體各結構件變形失效時序。

2.3.1 靶體碰撞區域結構損傷變形

圖6反映了22 kn速度3種碰撞角度工況下靶體碰撞結構損傷變形圖。從圖中可以看出, 結構變形主要集中在撞擊過程中雷靶接觸區域, 距離碰撞區域較遠的非碰撞區域并未出現形變, 類似剛體結構, 僅以質量及慣性的形式對靶體運動產生影響, 碰撞過程中靶體蒙皮變形程度隨碰撞角度的增加愈發明顯, 同時蒙皮損壞的形狀特征與雷頭的形狀有關。從90o碰撞變形圖可以發現, 在此工況下, 靶體蒙皮區域仿真單元出現了失效, 表明碰撞區域蒙皮出現了撕裂及開口。

圖6 22 kn速度下靶體蒙皮結構損傷變形圖

2.3.2 魚雷運動

圖7反映了碰撞過程中魚雷向速度分量的時歷曲線, 0時刻曲線與縱坐標軸的交點表示碰撞開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, 僅在碰撞發生后短時間內產生極小變形, 因此通過雷頭中后部監測點速度變化來分析雷體運動。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部框架的內力釋放以及水動力的作用, 雷體從蒙皮表面彈開, 速度增加, 一定時間后, 由于慣性以及水動力的影響, 雷體速度趨于平穩, 在一定范圍內震蕩。

30 kn碰撞時, 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, 速度反向增加。當碰撞角度為90o時, 魚雷速度雖在碰撞前期迅速衰減, 但由于蒙皮強度達到極限, 發生失效破壞, 碰撞力卸載, 雷體穿透靶體向靶體內部運動, 在慣性及水動力作用下雷體速度震蕩并趨于穩定。38 kn工況下, 30o碰撞時雷體同樣出現了反彈, 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, 向靶體內部運動, 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歷曲線

對比不同撞擊角度結果發現, 碰撞發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構件變形程度不同, 從而導致魚雷速度衰減的程度不同。同時小角度撞擊下, 由于雷體與靶體蒙皮接觸面小, 雷體撞擊到蒙皮后產生反彈, 未穿透蒙皮, 隨撞擊角度的增加, 魚雷會穿透蒙皮繼續朝靶體內部運動。

圖8反映了在22 kn速度90o工況時碰撞過程整個系統的能量變化。從圖中可以看出, 發生碰撞后, 系統動能轉化為內能, 表現為動能曲線急劇減小, 內能曲線增加, 當碰撞結束后兩曲線趨于平穩, 極值點位置出現時間也與速度曲線相對應。在碰撞過程中由于阻力、滑移及沙漏效應等影響, 能量轉化過程出現損耗, 即為圖中其余能。

圖8 能量變化時歷曲線

圖9~圖 11反映了碰撞過程中雷頭監測點部位的加速度時歷曲線, 由圖中曲線可知, 碰撞過程中加速度曲線呈現很強的非線性特征, 在不同的碰撞階段, 雷頭部位加速度出現不同程度的卸載。30°碰撞時, 碰撞前期雷頭加速度出現了明顯的大脈寬區域, 這說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出明顯的窄脈寬大幅值的卸載現象, 說明碰撞發生后蒙皮產生的塑性變形大、歷程短, 并伴有失效和破壞。碰撞結束后, 由于慣性和碰撞區域周圍流體的作用, 雷體加速度并未迅速衰減為零, 而是在一定幅值范圍內震蕩, 并趨于平穩。

在碰撞發生開始后15 ms內, 雷頭監測點部位加速度迅速增加, 出現較大幅值和脈寬區域, 該區域的幅值脈寬可包絡滿足魚雷觸發引信動作所要求的幅值及脈寬, 且具有較大余量。該結果說明在上述計算的工況范圍內, 目標靶靶體剛度滿足魚雷觸發引信動作要求。同時, 隨著碰撞角度和速度的增加, 碰撞前期監測點部位幅值及脈寬更大, 更能滿足魚雷觸發引信動作要求。

圖9 22 kn工況下雷頭監測點加速度時歷曲線

圖10 30 kn工況下雷頭監測點加速度時歷曲線

圖11 38 kn工況下雷頭監測點加速度時歷曲線

3 結論

文中針對魚雷與目標靶碰撞問題, 基于流固耦合及附加質量法, 利用LS-DYNA有限元分析軟件對不同撞擊速度及角度工況下的碰撞過程進行了仿真, 得到了碰撞過程中靶體結構損傷以及雷體運動情況。

1) 撞擊角度的變化對雷體運動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, 魚雷穿透蒙皮繼續向靶體內部運動的可能性增加。

2) 魚雷撞擊速度越大, 雷頭加速度響應峰值越高, 出現時間越早, 但其隨時間變化趨勢基本一致。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-靶碰撞結構響應仿真分析[J]. 水下無人系統學報, 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, 主要研究方向為魚雷總體技術.

(責任編輯: 許 妍)