基于CEL算法全雷入水沖擊建模與仿真

王 升, 郭 君, 趙 琪, 卞敏華, 田樹紅

基于CEL算法全雷入水沖擊建模與仿真

王 升, 郭 君, 趙 琪, 卞敏華, 田樹紅

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

為解決魚雷入水沖擊計算時全雷強度的仿真分析不準確問題, 采用耦合歐拉-拉格朗日(CEL)算法進行了全雷入水沖擊計算, 并依據試驗進行模型修正。為提高計算結果的準確性, 將材料的線性強化彈塑性本構引入計算模型, 并考慮魚雷各艙段殼體連接結構的連接特性。文中通過對全雷入水沖擊計算模型和仿真方法進行研究, 得到以下結論: 對于連接結構的處理, 應充分考慮其連接特性, 合理簡化連接結構; 楔環結構的2個楔環帶具有緩沖減振作用。文中研究為助飛魚雷和空投魚雷的入水方案提供了依據, 為魚雷和楔環連接體的入水分析提供了參考。

魚雷; 入水沖擊; 耦合歐拉-拉格朗日方法; 楔環連接

0 引言

空投魚雷和助飛魚雷存在著嚴酷的入水沖擊力學環境: 魚雷在入水過程中可以分為撞水階段、侵水階段、帶空泡航行階段、全侵濕階段, 撞水階段和侵水階段, 魚雷需承受著較大擊水力和侵水阻力[1], 這對魚雷的頭段強度、殼體強度和連接結構的強度要求很高, 決定了其極限入水條件。而極限入水條件是空投附件的設計基礎, 同時也是全雷入水方案的參考依據。在全雷的方案設計階段, 只能依靠工程師經驗以及仿真計算來得到入水條件。目前, 魚雷入水沖擊計算模型均過于簡化, 計算結果誤差較大, 無法指導工程設計。對于空投魚雷和助飛魚雷的設計而言, 迫切需要準確的入水沖擊仿真計算, 為此展開了全雷沖擊計算的建模與仿真方法的研究。

目前國內對于全雷入水沖擊中結構強度校核的計算分析研究較少。王永虎等[2]進行了空投魚雷斜入水沖擊動力建模及仿真分析, 采用精確形體法分析計算入水沖擊負荷。徐新棟等[3]進行魚雷緩沖頭帽入水沖擊性能研究, 分析了不同入水角度與摩擦力對頭帽入水的影響。張岳青等[4]進行了結構物入水沖擊表面壓力的模型研究及應用, 分析了不同質量、不同結構物形狀對入水沖擊表面壓力的影響。李成進等[5]開展了高速入水彈體結構沖擊仿真研究, 未考慮連接結構, 對彈體進行了高速入水的研究。

文中以楔環連接的輕型魚雷為研究對象, 結合空投魚雷試驗, 采用耦合歐拉-拉格朗日(cou- pled Eulerian-Lagrangian, CEL)算法, 進行全雷的建模以及沖擊入水仿真。通過對楔環連接結構的合理簡化建模, 引入材料的線性強化彈塑性本構, 提高了全雷入水沖擊仿真計算結果的準確性。

1 CEL算法

CEL算法有效結合了拉格朗日和歐拉算法。在解決結構體入水沖擊問題時, 采用拉格朗日法劃分結構網格, 采用歐拉法劃分水域網格, 采用有限差分法求解帶有移動邊界的二維流體動力學問題, 能很好地解決復雜流-固耦合問題和大變形問題[6]。

拉格朗日法是一種離散化數值求解方法,在拉格朗日法求解過程中, 材料附著在單元網格上, 隨著材料的流動會產生網格的運動和變形, 計算過程中單元發生變形但單元的質量不變。

對上式積分即可獲得結構單元節點的運動速度和位移等。

在歐拉法中網格是固定的, 材料的運輸在歐拉網格之間進行。在網格中材料的流動軌跡計算通過各個單元中的歐拉體積分數(Eulerian volume fraction, EVF)得到。

在歐拉求解器中, 流體的流動采用連續質量運輸方法在固定的歐拉網格間進行運輸, 由歐拉連續方程可得到歐拉網格的密度和變形速率, 并重新計算網格內質量、動量和能量等物理量。

材料能量方程為

式中:,,為坐標;,,,,和分別為流體介質的密度、徑向速度、軸向速度、垂向速度、內能和壓力。根據材料的狀態方程和能量方程計算單元的壓力、應力和能量。

在耦合算法計算的2種網格之間不需要有公用的單元節點或單元面, 2個求解器通過耦合面相互作用。拉格朗日單元的耦合面固定在網格上, 從耦合面上接受歐拉材料給予的壓力載荷; 歐拉單元的耦合面在歐拉網格中隨時間變化, 需要在每一個時間步內利用有限體積法確定耦合邊界的位置, 在耦合面上接受拉格朗日單元施加一個幾何約束。

在Abaqus軟件中, 歐拉體和拉格朗日體間的接觸約束可通過通用接觸描述。這種通用接觸算法自動計算并追蹤拉格朗日體和歐拉體間的接觸面, 使得拉格朗日體占據歐拉網格內部的空白區域, 確保2種物質永遠不會在物理空間中重合。

2 模型簡化及有限元建模

2.1 全雷模型簡化

魚雷由各個艙段連接組成, 內部結構復雜, 組件眾多。在進行有限元仿真計算時, 首先對全雷的結構進行簡化處理, 刪除全雷各艙段的內部組件以及局部孔、槽等不影響整體結構的特征, 保留各艙段的艙段殼體以及燃料艙隔板、動力艙段中的發動機支撐, 將楔環連接結構的2個楔環帶看作一個整體, 全雷由6個艙段和5個楔環連接結構組成。圖1為楔環連接結構的真實截面圖, 圖2為簡化后的楔環結構。

圖1 楔環結構圖

圖2 楔環連接結構簡化圖

2.2 入水沖擊模型前處理

將簡化模型導入到Hypermesh中進行單元劃分, 全雷主體結構采用hex六面體單元, 局部采用penta6五面體單元, 總計32.64萬個。全雷單元模型見圖3, 單元質量檢查良好。為了確保仿真模型與原模型的物理參數一致, 各艙段的內部組件采用質量單元代替, 確保各艙段的重心與質量一致, 雷內組件質量單元的耦合見圖4。所有結構的材料為鋁合金, 設置為線彈性本構。在Hypermesh中進行abaqus分析模型的前處理工作, 建立質量單元, 并通過運動耦合約束將質量單元耦合在相應殼體上。簡化后全雷結構的質量和、、軸向上重心位置與真實值得誤差分別為1.25%、0.54%、0.02%和0.01%, 確保了仿真模型物理參數的真實性。

圖3 全雷單元模型

圖4 雷內組件質量單元耦合

2.3 入水沖擊分析建模

將網格模型導入到ABAQUS中, 采用顯式動力學分析功能, 采用CEL方法進行全雷入水沖擊計算。

在Abaqus軟件中建立水域模型, 水域尺寸為1 600 mm×1 600 mm×1 400 mm(長×寬×高), 如圖5所示, 水域分為兩部分, 上層為空氣, 下層為水體。設置水域模型的網格劃分單元尺寸為25, 水域模型的單元數為22萬個, 整個計算模型的單元數為54.64萬個。

圖5 水域模型

計算工況如下: 入水角度為60°, 入水速度為49 m/s, 攻角為0。入水沖擊計算模型見圖6。

圖6 入水沖擊模型(空氣部分隱藏)

采用通用接觸, 設置接觸屬性為法向可分離, 接觸面的切向上摩擦系數取0.12, 計算0.015 s內雷體入水沖擊過程的結構應力情況。

2.4 入水沖擊計算結果分析

計算完成后, 進入Abaqus可視化模塊可查看全雷入水沖擊的計算結果, 如圖7所示。圖8為雷體的半剖應力云圖。

雷體應力在0.15 s時刻達到最大(應力云圖展示的均是0.15 s時刻的應力情況), 雷體的最大應力值達到了2 260 MPa, 通過查看局部結構的應力, 發現魚雷殼體絕大部分應力值不超過100 MPa,但是楔環連接部分應力值過大, 集中在楔環帶以及艙段殼體兩端的陰頭、陽頭處, 其中楔環3以及艙段3殼體的右端連接處應力相比其他結構處更大, 如圖9和圖10所示(楔環以及艙段殼體的應力云圖均為楔環3以及艙段3的計算結果), 楔環應力最大值達到1977 MPa, 艙段殼體的陰陽頭處最大應力達到1178 MPa, 通過設置鋁合金材料的強度極限350 MPa, 發現失效面積區域過大, 明顯強度不夠。

圖7 魚雷入水計算結果

圖8 雷體應力云圖

圖9 楔環應力云圖

圖10 艙段殼體應力云圖

3 計算模型優化

3.1 與試驗情況比較

在進行雷體入水沖擊試驗時, 控制雷體的入水角度與入水速度分別為60°和49 m/s, 試驗時通過內測系統記錄試驗參數, 記錄的入水角度與速度的變化曲線如圖11和圖12所示, 其中0時刻為入水的狀態, 入水條件與仿真計算工況一致。

圖11 入水角隨時間變化曲線

圖12 雷體軸向速度隨時間變化曲線

在進行入水試驗結束后, 對雷體進行探傷檢查, 發現殼體以及楔環連接部位均未發生損壞, 說明雷體強度滿足入水條件, 雷體的入水沖擊仿真計算結果明顯不準確。

3.2 建模與仿真優化

考慮到仿真計算結果的應力值遠大于鋁合金材料的屈服極限, 引入鋁合金材料的線性強化彈塑性本構, 如圖13所示。

圖13 鋁合金線性強化彈塑性本構

其余采用同樣的計算參數設置, 計算得到的雷體應力云圖如圖14所示, 楔環以及最大應力艙段殼體的應力云圖見圖15和圖16。

圖14 引入線性強化彈塑性本構后雷體應力云圖

圖15 引入線性強化彈塑性本構后楔環應力云圖

圖16 引入線性強化彈塑性本構后艙段殼體應力云圖

由圖發現, 楔環以及連接部分仍然存在小片的結構失效區域, 計算得到的結果雖然有所改善, 但是仍然表現為強度不足?？紤]到將2個楔環帶合并為一個整體可加強連接部位, 因而保留2個獨立的楔環帶進行計算分析。2個楔環帶的模型如圖17和圖18所示。

圖17 2個楔環帶模型

圖18 2個楔環帶模型截面

同樣設置鋁合金材料為線性強化塑性本構, 且楔環連接結構保留2個楔環帶, 其他參數設置一致, 進行入水沖擊計算。計算得到的雷體應力云圖如圖19~圖22所示。

圖19 優化后雷體應力云圖

圖20 優化后楔環帶Ⅰ應力云圖

圖21 優化后楔環帶Ⅱ應力云圖

圖22 優化后艙段殼體應力云圖

由計算結果可知, 除了應力集中點, 楔環連接部分以及艙段殼體均未出現應力失效區域, 根據撞擊壓縮水面的撞擊壓力公式

估算出雷頭壓力峰值為65.72 MPa[7], 提取仿真計算的雷頭壓力曲線, 如圖23所示。由圖可以看出最大壓力為53 MPa, 較理論值略低, 但誤差不大, 說明了本次計算結果的準確性。從計算結果看, 認為雷體及楔環連接處的強度足夠大, 與試驗結果一致, 說明2種處理方法是有效的。

圖23 雷頭壓力曲線

4 結論

基于CEL算法進行全雷入水沖擊計算, 并結合入水試驗, 優化了建模過程以及仿真方法, 使得沖擊計算結果更加準確, 并得到以下結論。

1) 沖擊仿真計算中, 楔環連接機構不宜簡化為整環結構, 保留2個楔環帶結構, 雖然增加了計算成本, 但能保證計算結果更加準確。

2) 楔環連接結構中的2個楔環帶具有緩沖減振作用。

3) 在進行全雷的入水沖擊計算時, 可以采用文中分析方法確定魚雷的入水方案。

文中引入材料的彈塑性本構, 合理處理楔環結構的計算模型, 正確設置計算參數, 與試驗結果進行定性分析, 使得仿真計算結果更加準確, 為魚雷的入水方案設計提供了參考。后期可通過更多的試驗數據來優化計算模型, 并進行關鍵組件安裝位置的沖擊載荷分析。

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Modeling and Simulation Analysis of Torpedo’s Water-Entry Impact Based on CEL Algorithm

WANG Sheng, GUO Jun, ZHAO Qi, BIAN Min-hua, TIAN Shu-hong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To improve the accuracy of the strength simulation of overall torpedo in the torpedo’s water-entry impact calculation, the coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) algorithm is used, and the calculation model is modified via experiment. The linear reinforced elastic-plastic constitutive model of the material is introduced into the model in order to improve the accuracy of calculation results. The connection characteristics of the connecting structure of torpedo cabin shells are considered to guarantee simulation accuracy. Conclusions are drawn that the connection characteristics should be fully considered in treatment of the connecting structure and the connecting structure should be rationally simplified, and the two wedge-ring bands of the wedge-ring structure have the functions of buffering and vibration reduction. This study may be helpful for the designs of water-entry schemes of rocket-assisted torpedo and air-dropped torpedo, and may provide a reference for the analyses of torpedo water-entry impact and wedge-ring connecting structure.

torpedo; water-entry impact; coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) algorithm; wedge-ring connection

TJ630.1; TB115

A

2096-3920(2020)01-0075-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.011

王升, 郭君, 趙琪, 等. 基于CEL算法全雷入水沖擊建模與仿真[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(1): 75-80.

2019-05-28;

2019-06-26.

王 升(1992-), 男, 碩士, 主要研究方向為模態測試與仿真、減振降噪和結構設計.

(責任編輯: 許 妍)