雷-靶碰撞结构响应仿真分析

李静肖, 陈彦勇, 张 涛, 许 达



雷-靶碰撞结构响应仿真分析

李静肖, 陈彦勇, 张 涛, 许 达

(中国船舶重工集团公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

针对雷-靶碰撞过程中靶体结构及碰撞环境的特殊性与复杂性, 基于船舶碰撞内部机理, 采用流固耦合及附加质量法对鱼雷撞击目标靶时的结构响应进行了有限元仿真, 研究了碰撞过程中靶体的结构损伤以及鱼雷速度及加速度变化。仿真结果表明: 1) 撞击过程具有很强的非线性特征, 撞击角度的变化对雷体运动及靶体变形有一定程度的影响; 2) 鱼雷撞击速度越大, 雷头加速度响应峰值越高, 靶体损伤程度越大。文中所做研究可为目标靶的结构设计及动态特性设计提供参考。

雷-靶碰撞; 流固耦合; 附加质量法; 有限元仿真; 结构响应

0 引言

随着鱼雷技术的不断发展, 其先进程度越来越高, 反潜训练对靶标的使用要求也不断提高。鱼雷撞击目标靶时, 雷头引信部位加速度需达到一定幅值及脉宽才能触发引信动作, 因此, 靶体结构刚度是否满足触发引信动作要求是靶体结构设计的关键之一[1]。由于目标靶结构较为特殊, 同时碰撞环境中流体作用复杂, 目前国内外尚未有对该类碰撞问题公开发表的研究。因此, 建立一套适用于该类雷-靶碰撞问题的研究方法, 并准确预报碰撞过程中靶体的动力响应对目标靶结构设计及以后该类问题的研究具有重要意义。对于雷-靶碰撞问题, 其碰撞机理与船舶碰撞类似, 因此可以参考船舶碰撞的分析方法, 同时考虑雷、靶自身结构特点以及碰撞环境实现雷-靶碰撞结构响应分析研究。目前针对水面舰船以及潜器的碰撞问题, 主要有经验法[2]、解析法[3]、有限元数值仿真[4]和试验方法[5]等4种方法, 文中利用ANSYS LS-DYNA非线性有限元软件, 并结合流固耦合及附加质量法开展雷-靶碰撞问题的研究。

1 雷-靶碰撞仿真计算原理

雷-靶碰撞过程中具有很强的非线性特性, 碰撞区域的结构会迅速通过弹性阶段进入塑性流动状态, 并伴随撕裂、屈曲等形式的破坏或失效[6]。因此可以采用显式非线性有限元分析方法对该问题进行分析。

1.1 显式时间积分算法

考虑沙漏阻尼后, 雷-靶碰撞过程的动力学方程可表示为

采用中心差分法, 可得到加速度、速度和位移的基本递推格式

在LS-DYNA中, 式(2)中的结构质量矩阵为集中质量矩阵, 得到的动力学方程为解耦的, 因此无需进行总体矩阵的计算以及平衡迭代, 但是该方法并不是无条件稳定的, 为保证数值计算的稳定性, 采用变步长的计算方法, 每一时刻的积分步长由当前时刻的稳定性条件进行控制, 积分步长必须小于某一临界值计算才能继续进行, 临界时间步长由下式确定[7]

1.2 接触与摩擦计算

在雷-靶碰撞的动态接触问题中, 接触与摩擦是2个关键问题, 即不同结构界面碰撞时的接触和相对滑动。碰撞过程中构件的接触通过接触算法进行处理, 文中采用LS-DYNA自带的基于主-从面的动态接触算法, 通过罚函数法计算接触力, 接触通过定义关键字实现自动面双向接触。仿真接触中靶体设为主面, 鱼雷设为从面。

同时发生相对滑动的结构件之间会产生摩擦力, 摩擦力可采用经典库伦摩擦进行处理。摩擦力大小由下式确定

1.3 水动作用力处理

目标靶采用湿式回转结构, 碰撞过程中靶体内外均有流体存在, 碰撞过程中不仅存在雷-靶结构间的相互作用, 结构与周围流体也存在复杂的交互作用。结构变形时会引起流体的运动, 继而导致流体作用于结构的载荷大小及分布发生变化, 相反, 流体载荷的变化同样会影响结构的运动。针对靶体结构的特殊性以及流固耦合的复杂性, 采用流固耦合法和附加质量法相结合的方式对水动作用力进行求解。对靶体与其外表面周围流体间的相互作用采用计算精度高的流固耦合法进行求解; 对于靶体内部湿式区域, 采用附加质量法将流体介质的动力影响以附加质量的形式附加到靶体上, 即可保证碰撞区域的计算精度, 又可减少建模工作量, 提高计算效率。采用流固耦合法建模时, 结构体采用Largrange单元模拟, 流体域采用Euler单元模拟, 并通过耦合控制方程将二者联系, 使相互作用力通过耦合面发生传递与转换, 所采用流固耦合控制方程[8]

式中: 下标和分别代表靶体及周围流体; 为质量矩阵, ;和分别为靶体位移向量和水压; 为阻尼矩阵;为刚度矩阵, ;; 为压力单元形函数矩阵;为结构位移函数; 为流体边界法向量;是一个耦合矩阵, 表示流-固界面节点相互联系的有效面积及界面上的法线节点力的矢量; 为结构作用力; 为流体作用力。图1为采用流固耦合法所建立的模型示意图。

附加质量通过经验公式进行计算, 根据相关文献[9-11], 水下物体纵荡和横荡运动时的附加质量分别为

式中,为靶体质量, 文中靶体纵荡运动时的附加质量系数取0.04, 横荡运动时的附加质量系数取0.5。

2 雷-靶碰撞数值仿真与分析

2.1 计算模型

2.1.1 目标靶模型

目标靶为圆柱形回转结构, 靶体板壳结构采用壳单元进行建模, 靶体内部框架采用梁单元建模。靶体撞击区域网格尺寸为60 mm, 非撞击区域网格尺寸为150 mm。目标靶体材料为双线性各向同性硬化弹塑性材料模型。模型坐标系以靶体长度方向为轴, 其中沿艏部方向为正; 靶体宽度方向为轴, 其中左舷为正方向; 型深方向为轴, 其中垂直于基线向上为正方向。靶体有限元模型见图2。

图2 靶体有限元模型

2.1.2 鱼雷模型

根据相关资料建立鱼雷模型, 考虑到碰撞过程中只有雷头及后续一部分结构参与整个碰撞历程, 因此在鱼雷中后部建立实体, 通过调整密度使模型质量与全雷实际质量相同。鱼雷艏端覆盖有橡胶硫化层, 硫化层采用六面体实体单元模拟, 雷体金属结构采用六面体实体单元及六节点三棱柱单元模拟, 尾部采用六面体实体单元模拟, 鱼雷有限元网格尺寸为30 mm。鱼雷艏端硫化橡胶为超弹性材料模型, 中前段金属为双线性各向同性硬化弹塑性材料模型, 后段配重区域为刚体材料模型。鱼雷有限元模型见图3。

图3 鱼雷有限元模型

2.1.3 流场模型

碰撞流体域采用圆柱区域, 直径为目标靶4倍直径, 长30 m, 采用六面体网格划分, 撞击区域附近网格大小为60 mm, 非碰撞区域网格大小为100~150 mm。材料为NULL材料。鱼雷、目标靶及流场有限元网格总量约140万。流场有限元模型见图4, 碰撞系统有限元模型见图5, 各区域材料参数见表1。

图4 流场有限元模型

图 5 碰撞有限元模型

表1 仿真计算所用材料参数

2.2 计算工况

选取靶体2条环肋间隔最大处作为典型撞击部位, 雷体分别以22 kn、30 kn和38 kn速度以30º、60º和90º角度撞击靶体。

2.3 计算结果分析

通过分析碰撞过程中鱼雷的速度时历曲线以及加速度时历曲线可得到碰撞过程中鱼雷的运动情况以及靶体各结构件变形失效时序。

2.3.1 靶体碰撞区域结构损伤变形

图6反映了22 kn速度3种碰撞角度工况下靶体碰撞结构损伤变形图。从图中可以看出, 结构变形主要集中在撞击过程中雷靶接触区域, 距离碰撞区域较远的非碰撞区域并未出现形变, 类似刚体结构, 仅以质量及惯性的形式对靶体运动产生影响, 碰撞过程中靶体蒙皮变形程度随碰撞角度的增加愈发明显, 同时蒙皮损坏的形状特征与雷头的形状有关。从90º碰撞变形图可以发现, 在此工况下, 靶体蒙皮区域仿真单元出现了失效, 表明碰撞区域蒙皮出现了撕裂及开口。

图6 22 kn速度下靶体蒙皮结构损伤变形图

2.3.2 鱼雷运动

图7反映了碰撞过程中鱼雷向速度分量的时历曲线, 0时刻曲线与纵坐标轴的交点表示碰撞开始瞬间鱼雷的初速度分量。雷体材料与靶体材料相比刚度更大, 更不易变形, 仅在碰撞发生后短时间内产生极小变形, 因此通过雷头中后部监测点速度变化来分析雷体运动。从图中可以看出在22 kn撞击速度下, 雷头接触靶体蒙皮后蒙皮产生变形, 雷体速度急剧减小随之衰减至0, 但由于靶体蒙皮及内部框架的内力释放以及水动力的作用, 雷体从蒙皮表面弹开, 速度增加, 一定时间后, 由于惯性以及水动力的影响, 雷体速度趋于平稳, 在一定范围内震荡。

30 kn碰撞时, 30º和60º工况下鱼雷速度变化与22 kn相同, 均是在碰撞前期迅速衰减后, 由于鱼雷从蒙皮表面弹开, 速度反向增加。当碰撞角度为90º时, 鱼雷速度虽在碰撞前期迅速衰减, 但由于蒙皮强度达到极限, 发生失效破坏, 碰撞力卸载, 雷体穿透靶体向靶体内部运动, 在惯性及水动力作用下雷体速度震荡并趋于稳定。38 kn工况下, 30º碰撞时雷体同样出现了反弹, 鱼雷速度减小至0后反向增加。而60º及90º工况下雷体穿透蒙皮, 向靶体内部运动, 雷体速度在碰撞后期缓慢减小。

图7 不同工况下的鱼雷速度时历曲线

对比不同撞击角度结果发现, 碰撞发生后鱼雷速度迅速衰减, 随着碰撞角度的增加, 雷体速度衰减会有一定程度的延后, 这是由于不同撞击角度下, 雷头触及靶体后各结构件变形程度不同, 从而导致鱼雷速度衰减的程度不同。同时小角度撞击下, 由于雷体与靶体蒙皮接触面小, 雷体撞击到蒙皮后产生反弹, 未穿透蒙皮, 随撞击角度的增加, 鱼雷会穿透蒙皮继续朝靶体内部运动。

图8反映了在22 kn速度90º工况时碰撞过程整个系统的能量变化。从图中可以看出, 发生碰撞后, 系统动能转化为内能, 表现为动能曲线急剧减小, 内能曲线增加, 当碰撞结束后两曲线趋于平稳, 极值点位置出现时间也与速度曲线相对应。在碰撞过程中由于阻力、滑移及沙漏效应等影响, 能量转化过程出现损耗, 即为图中其余能。

图8 能量变化时历曲线

图9~图 11反映了碰撞过程中雷头监测点部位的加速度时历曲线, 由图中曲线可知, 碰撞过程中加速度曲线呈现很强的非线性特征, 在不同的碰撞阶段, 雷头部位加速度出现不同程度的卸载。30°碰撞时, 碰撞前期雷头加速度出现了明显的大脉宽区域, 这说明在此工况下靶体蒙皮为明显的塑性变形, 并且变形较慢。随着碰撞速度的增大, 雷头加速度在碰撞前期呈现出明显的窄脉宽大幅值的卸载现象, 说明碰撞发生后蒙皮产生的塑性变形大、历程短, 并伴有失效和破坏。碰撞结束后, 由于惯性和碰撞区域周围流体的作用, 雷体加速度并未迅速衰减为零, 而是在一定幅值范围内震荡, 并趋于平稳。

在碰撞发生开始后15 ms内, 雷头监测点部位加速度迅速增加, 出现较大幅值和脉宽区域, 该区域的幅值脉宽可包络满足鱼雷触发引信动作所要求的幅值及脉宽, 且具有较大余量。该结果说明在上述计算的工况范围内, 目标靶靶体刚度满足鱼雷触发引信动作要求。同时, 随着碰撞角度和速度的增加, 碰撞前期监测点部位幅值及脉宽更大, 更能满足鱼雷触发引信动作要求。

图9 22 kn工况下雷头监测点加速度时历曲线

图10 30 kn工况下雷头监测点加速度时历曲线

图11 38 kn工况下雷头监测点加速度时历曲线

3 结论

文中针对鱼雷与目标靶碰撞问题, 基于流固耦合及附加质量法, 利用LS-DYNA有限元分析软件对不同撞击速度及角度工况下的碰撞过程进行了仿真, 得到了碰撞过程中靶体结构损伤以及雷体运动情况。

1) 撞击角度的变化对雷体运动及靶体变形有一定程度的影响, 碰撞角度增大, 靶体蒙皮变形失效程度增加, 鱼雷穿透蒙皮继续向靶体内部运动的可能性增加。

2) 鱼雷撞击速度越大, 雷头加速度响应峰值越高, 出现时间越早, 但其随时间变化趋势基本一致。且碰撞速度越大, 靶体损伤程度越大。

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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

李静肖, 陈彦勇, 张涛, 等. 雷-靶碰撞结构响应仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 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.

李静肖(1994-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷总体技术.

(责任编辑: 许 妍)