陳 舸，祝祥剛，王 軍，葉亞龍

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

楔環(huán)連接的魚(yú)雷水下爆炸作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

陳 舸，祝祥剛，王 軍，葉亞龍

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

魚(yú)雷作為水中主要兵器之一，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。研究魚(yú)雷殼體在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重要課題。在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，很少有學(xué)者考慮魚(yú)雷艙段間的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)雷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有重要影響。本文利用有限元分析軟件Abaqus，采用數(shù)值仿真的方法研究帶有楔環(huán)結(jié)構(gòu)的某輕型魚(yú)雷在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)用體單元建立的模型與利用殼體單元建立的模型進(jìn)行比較，并考慮多種工況下的等效塑性應(yīng)變PEEQ，以及改變爆心位置對(duì)魚(yú)雷動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，得出魚(yú)雷動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一些規(guī)律。該研究旨在為輕型魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

魚(yú)雷;水下爆炸;楔環(huán)連接結(jié)構(gòu);動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0 引言

魚(yú)雷是一種自動(dòng)推進(jìn)，能按預(yù)定的航向和深度航行，或自動(dòng)導(dǎo)向目標(biāo)，命中目標(biāo)時(shí)能自動(dòng)爆炸，用以打擊目標(biāo)水下部位的水中兵器［1］。與水雷、火炮、導(dǎo)彈等相比，魚(yú)雷進(jìn)攻性強(qiáng)，破壞威力大，隱蔽性好，而且使用極其廣泛，如今在各種海上戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮出巨大的作用，成為各國(guó)海軍普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。正因?yàn)槿绱耍~(yú)雷成為水面艦艇的主要威脅之一，如何順利地躲過(guò)或者有效地?cái)r截魚(yú)雷的攻擊是解決水面艦艇生存問(wèn)題的關(guān)鍵。

當(dāng)魚(yú)雷受到水下彈藥的攻擊時(shí)，水下爆炸載荷主要作用于魚(yú)雷外部殼體。因此研究魚(yú)雷殼體在水下爆炸載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)是研究水下爆炸魚(yú)雷毀傷的重要課題之一。實(shí)體魚(yú)雷爆炸試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)條件要求極高，且造價(jià)昂貴，實(shí)施起來(lái)較為困難。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及大型有限元分析軟件的日趨完善，數(shù)值仿真具有獨(dú)特的方式，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究此類問(wèn)題的重要手段。目前在該領(lǐng)域已發(fā)表一些研究成果［1－9］，但很多學(xué)者沒(méi)有考慮魚(yú)雷的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)。本文利用大型非線性有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行水下爆炸的模擬，通過(guò)計(jì)算和分析得到魚(yú)雷殼體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，旨在為魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 水下爆炸理論基礎(chǔ)與有限元模型

1.1 流固耦合基本概述

流固耦合動(dòng)力學(xué)結(jié)合了流體力學(xué)和固體力學(xué)，它研究在流場(chǎng)作用下變形固體的各種行為和固體變形對(duì)于流場(chǎng)的影響［2］。它的重要特點(diǎn)在于考慮2種介質(zhì)的相互作用，變形固體在流體作用下產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，而變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流體，從而流體載荷的分布和大小都會(huì)發(fā)生變化。這一迭代過(guò)程即為流固耦合的過(guò)程。由于水下爆炸作用下流固耦合問(wèn)題屬于高度非線性問(wèn)題，因此求解起來(lái)異常困難。通常計(jì)算方法大體上分為2類:一類是結(jié)構(gòu)部分用有限元法進(jìn)行離散，而流體部分用邊界元法離散，再建立流固耦合方程式;另一類是結(jié)構(gòu)和流體均用有限元法進(jìn)行離散，再建立流固耦合方程式。在Abaqus中采用聲固耦合法，即將流體用聲學(xué)介質(zhì)來(lái)描述，相當(dāng)于沖擊波在聲學(xué)介質(zhì)中傳播［10］。

1.2 有限元模型

本文選取某輕型魚(yú)雷，建立有限元模型。魚(yú)雷直徑Ф=324 mm;總長(zhǎng)L=2.59 m;質(zhì)量M=258 kg;魚(yú)雷殼體厚度t=6mm。加強(qiáng)筋布置形式為縱向4根，環(huán)向9根雷身均勻分布，加筋截面為b=0.015，h=0.01的矩形。殼體采用SHELL181殼單元建立，加強(qiáng)筋用BEAM188梁?jiǎn)卧?，建立的原模型如圖1所示。

圖1 利用殼單元和梁?jiǎn)卧⒌聂~(yú)雷有限元模型Fig.1 Finite elementmodel of torpedo established by shell and beam element

在本次設(shè)計(jì)中，還考慮到了艙段間的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)。魚(yú)雷產(chǎn)品不可避免要進(jìn)行分段，那么艙段間連接必不可少，楔環(huán)連接作為一種應(yīng)用非常廣泛的連接方式，可保證連接部位外表面的光順性，且可減少魚(yú)雷的形狀阻力和噪聲，便于拆裝，因而具有明顯的優(yōu)勢(shì)。楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的具體形式如圖2所示。

圖2 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Wedge-ring joint structure form

魚(yú)雷殼體楔環(huán)連接處的幾何形狀較為復(fù)雜，在建立有限元模型時(shí)需對(duì)楔環(huán)連接的幾何模型進(jìn)行必要的改造［11］。參考文獻(xiàn) ［12－13］，可以得到楔環(huán)結(jié)構(gòu)部分尺寸，如圖3所示。通過(guò)去除楔環(huán)連接幾何模型中的倒角﹑圓角及安裝密封圈的環(huán)槽，得到了用于有限元分析的楔環(huán)連接模型。其中，a1=2.3 mm，a2=1.9 mm，b1=2.9 mm，b2=3.1 mm。此外，楔帶的長(zhǎng)度為7 mm，寬度為1.8 mm。由于楔環(huán)結(jié)構(gòu)需要在殼體厚度方向上建立，因此用SOLID185體單元建立殼體結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋，建立新的有限元模型如圖4所示。

圖3 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.3 Finite elementmodel ofwedge-ring joint structure

圖4 利用體單元建立的魚(yú)雷有限元模型Fig.4 Finite elementmodel of torpedo established by volume

考慮到流場(chǎng)對(duì)魚(yú)雷動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，需要對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。參考已有研究成果，綜合計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性以及計(jì)算成本的節(jié)約性，本次設(shè)計(jì)取流場(chǎng)半徑為結(jié)構(gòu)半徑的6倍。流體網(wǎng)格采用漸變的處理方式，靠近魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的部分網(wǎng)格劃分尺寸與魚(yú)雷網(wǎng)格尺寸相同，均為0.05 m;而外部網(wǎng)格取為內(nèi)部的6倍，為0.3 m。流體部分利用四面體聲學(xué)單元來(lái)模擬，在Abaqus中通過(guò)tie約束與魚(yú)雷結(jié)構(gòu)形成相互作用。

1.3 工況設(shè)置

隨著水下爆炸研究的深入，利用沖擊因子這一概念來(lái)描述水下爆炸沖擊響應(yīng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。沖擊因子從能量角度來(lái)研究水下爆炸，若沖擊因子相同，則認(rèn)為水下爆炸沖擊響應(yīng)相似。沖擊因子可以表示為［5］:

由式(1）可看出，水下爆炸沖擊響應(yīng)主要考慮了藥包質(zhì)量W和爆距R，本次仿真計(jì)算了5種藥包 (50 kg，64 kg，76 kg，88 kg，100 kg）和6種距離 (4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，15 m）共30種工況，考察各工況下魚(yú)雷迎爆面、側(cè)爆面和背爆面下殼體首部A點(diǎn)、中部B點(diǎn)、尾部C點(diǎn)以及戰(zhàn)雷段與燃料艙段間的楔環(huán)結(jié)構(gòu)D點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變。下面以50－4表示TNT藥量50 kg，爆距4 m這一工況，其他工況類似。點(diǎn)的選取位置如圖5所示。

圖5 魚(yú)雷殼體上考核點(diǎn)的位置Fig.5 Inspection points on torpedo surface

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 2種有限元模型的比較

上面提到用殼和體2種不同的單元建立有限元模型，下面給出64－8工況下2種模型的變形情況。圖中新模型為用體單元建立的模型，原模型為用殼單元建立的模型。

圖6 64－8工況下新模型與原模型殼體塑性變形云圖Fig.6 Equivalent plastic strain on twomodel surfaces in 64－8 condition

由圖6及圖7可以看出，原模型最大等效塑性變形出現(xiàn)在首部加強(qiáng)筋上，最大值為0.024 8，而新模型則出現(xiàn)在楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)處，最大值為0.129 3。分析2種模型的等效塑性變形，雖然新模型最大等效塑性變形較大，但是并沒(méi)有超過(guò)失效應(yīng)變，且通過(guò)觀察可知出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域比原模型小很多，而且新模型考慮了楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)，楔環(huán)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有出現(xiàn)大的塑性變形，更符合魚(yú)雷的實(shí)際結(jié)構(gòu)。而2次出現(xiàn)最大等效塑性變形的位置不同，則是由于楔環(huán)結(jié)構(gòu)的影響。綜合以上分析，認(rèn)為帶有楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的新模型設(shè)計(jì)更為合理，通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果也更有參考價(jià)值，可以對(duì)魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

圖7 64－8工況下新模型與原模型加強(qiáng)筋塑性變形云圖Fig.7 Equivalent plastic strain of twomodel reinforced ribs structure in 64－8 condition

2.2 各工況下魚(yú)雷外部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

選取帶有楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的新模型，通過(guò)改變藥包質(zhì)量和爆距計(jì)算30種工況下魚(yú)雷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到典型位置的最大等效塑性應(yīng)變值。下面選取其中部分工況下迎爆面、側(cè)爆面和背爆面上各個(gè)考核點(diǎn)處的最大等效塑性變形值如表1～表3所示。

表1 各工況下迎爆面各考核點(diǎn)最大等效塑性應(yīng)變Tab.1 Equivalent plastic strain of torpedo front surface in 30 conditions

表2 各工況下側(cè)爆面各考核點(diǎn)最大等效塑性應(yīng)變Tab.2 Equivalent plastic strain of torpedo side surface in 30 conditions

表3 各工況下背爆面各考核點(diǎn)最大等效塑性應(yīng)變Tab.3 Equivalent plastic strain of torpedo back surface in 30 conditions

通過(guò)觀察表中數(shù)據(jù)，可以看出:1）相同藥包質(zhì)量時(shí)，隨著爆距增加等效塑性應(yīng)變變小;相同爆距時(shí)，隨著藥包質(zhì)量增加應(yīng)變變大。這一現(xiàn)象符合水下爆炸的規(guī)律。2）同一工況下，魚(yú)雷迎爆面、側(cè)爆面、背爆面中部塑性變形較大，首部和尾部變形接近。這是由于爆心位于魚(yú)雷中部正下方，沖擊波傳播到魚(yú)雷中部的距離最短。而首部和尾部與爆心距離相近，因此應(yīng)變接近，但首部變形稍大于尾部，說(shuō)明該魚(yú)雷首部結(jié)構(gòu)較弱，需要在此進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。3）同一工況下，魚(yú)雷同一位置迎爆面塑性變形最大，背爆面其次，側(cè)爆面最小。對(duì)于迎爆面，較大應(yīng)變產(chǎn)生的主要因素顯然是沖擊波的直接作用，而在水下，沖擊波的傳播呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì)，因此到達(dá)側(cè)爆面時(shí)，沖擊波壓力峰值已經(jīng)衰減很多，因此應(yīng)變較小，其應(yīng)變主要是由于迎爆面殼體結(jié)構(gòu)向內(nèi)發(fā)生變形，擠壓側(cè)爆面單元向外突出。而背爆面與側(cè)爆面相比塑性應(yīng)變較大是因?yàn)橛鏆んw向內(nèi)發(fā)生變形，再加上沖擊波在魚(yú)雷結(jié)構(gòu)表面發(fā)生繞流，在背爆面匯合，最終產(chǎn)生大的塑性應(yīng)變。4）楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)尺寸較小，且與相鄰艙段相比該處形狀變化較大，屬于應(yīng)力集中區(qū)域，其應(yīng)變明顯超過(guò)同一參考面上其他考核點(diǎn)的應(yīng)變。5）相同沖擊因子下(例如64－8，100－10與64－12，100－15）魚(yú)雷各考核點(diǎn)位置的等效塑性應(yīng)變趨于一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了用沖擊因子表示水下爆炸沖擊響應(yīng)的可靠性。圖8為相同沖擊因子各工況迎爆面考核點(diǎn)譜速度隨魚(yú)雷長(zhǎng)度方向的變化曲線。從圖中可以看出，魚(yú)雷中部譜速度最大，首部和尾部譜速度較小，符合水下爆炸沖擊規(guī)律。

圖8 相同沖擊因子下譜速度隨魚(yú)雷長(zhǎng)度方向的變化曲線Fig.8 Spectrum velocity-length curve in equivalent shock factor

2.3 改變爆心位置對(duì)魚(yú)雷外部結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

上面分析了爆心在魚(yú)雷中部正下方處各工況下的魚(yú)雷動(dòng)態(tài)響應(yīng)，現(xiàn)在討論當(dāng)改變爆心位置時(shí)對(duì)魚(yú)雷響應(yīng)的影響。下面選取64－8工況，分析爆心位置分別在首部、中部和尾部正下方時(shí)魚(yú)雷加速度響應(yīng)。

由于水下爆炸屬于高度非線性問(wèn)題，所以即使選取點(diǎn)的位置很接近，也有可能出現(xiàn)明顯的動(dòng)響應(yīng)差異。因此，在每個(gè)考核點(diǎn)位置的附近選取n個(gè)點(diǎn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，求出n個(gè)點(diǎn)的平均值［6］，即:

式中:Ai為選取的n個(gè)點(diǎn)的值;A為所求平均值。在該計(jì)算中，Ai表示為每個(gè)考核點(diǎn)附近選取的n個(gè)點(diǎn)的最大等效塑性應(yīng)變，A為該考核點(diǎn)的均值。

表4 不同爆心位置時(shí)魚(yú)雷典型位置的加速度Tab.4 Acceleration of typical positions on torpedo surface in different detonate point

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)爆心位于魚(yú)雷首部正下方時(shí)，魚(yú)雷A點(diǎn)的譜加速度值最大，B點(diǎn)其次，C點(diǎn)最小。這顯然是因?yàn)锳點(diǎn)距離爆心的位置最近，加速度響應(yīng)最劇烈，沖擊波依次經(jīng)過(guò)A，B和C點(diǎn)，加速度響應(yīng)呈遞減趨勢(shì)，而且A點(diǎn)譜加速度遠(yuǎn)大于其他2點(diǎn)。同理，爆心位于中部和尾部正下方時(shí)譜加速度規(guī)律相似。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較2種不同形式的魚(yú)雷模型，計(jì)算分析了30種工況下魚(yú)雷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并考慮不同爆心位置時(shí)魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，得到如下結(jié)論:

1）進(jìn)行實(shí)際魚(yú)雷抗沖擊特性數(shù)值仿真時(shí)，應(yīng)考慮楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)雷的影響，其計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

2）沖擊因子可以表征水下爆炸沖擊響應(yīng)劇烈程度。改變藥包質(zhì)量和爆距會(huì)改變魚(yú)雷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而沖擊因子相同時(shí)響應(yīng)趨于一致。

3）魚(yú)雷的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)由于尺寸較小且與周圍艙段相比形狀變化較大，屬于應(yīng)力集中區(qū)域，同一工況下楔環(huán)結(jié)構(gòu)處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯大于同一參考面的其他考核點(diǎn)。

4）改變爆心位置，魚(yú)雷動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，且隨著爆心與考核點(diǎn)之間距離的增加，響應(yīng)呈遞減趨勢(shì)。

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The study of dynam ic response of torpedo structure with wedge-ring joint subjected to underwater exp losion

CHEN Ge，ZHU Xiang-gang，WANG Jun，YE Ya-long
(College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

As a main kind of underwater weapons，torpedoes play an important role in modern sea combat.The study of dynamic response of torpedoes subjected to underwater explosion loadings has been an important task for researchers around the world.When performing numerical computations and simulation，however，few studies have considered wedge-ring joint structures between cabins，which have a huge influence on dynamic response of torpedoes subjected to underwater explosion.Adopting numerical computation method，this work addresses dynamic response of a lightweight torpedo with wedge-ring joint structures subjected to underwater explosion using non-linear finite element software ABAQUS.Comparing themodel established by volume element type with the model which wasmade by shell element type，this study considers equivalent plastic strain PEEQ in many conditions and impacts on dynamic response of the torpedo by changing detonate position.We can conclude a series of laws from the results.The research aims at providing reference to design and optimize torpedo structures.

torpedo;underwater explosion;wedge-ring joint structure;dynamic response

E925.23

A

1672－7649(2014）05－0140－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.029

2013－04－18;

2013－05－28

陳舸(1989－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。