王 軍, 孫 豐, 陳 舸, 祝祥剛

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水下爆炸載荷作用下MK46魚雷結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

王 軍, 孫 豐, 陳 舸, 祝祥剛

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

通過對美國MK46魚雷進(jìn)行數(shù)值仿真, 設(shè)置不同的工況, 應(yīng)用ABAQUS中的聲固耦合算法對魚雷在水下爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)及其沖擊環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算, 分析了魚雷在不同工況下的毀傷效果, 以及不同部位各節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)及沖擊環(huán)境。有限元計(jì)算結(jié)果表明: MK46魚雷首部為薄弱部分, 首部加強(qiáng)筋首先失效破壞, 當(dāng)殼體沖擊因子為1.33時(shí)魚雷殼體發(fā)生破損; 迎爆面和背爆面節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)有較大區(qū)別, 通過節(jié)點(diǎn)的沖擊譜參數(shù)可對魚雷內(nèi)部設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行分析。本文結(jié)果可對相關(guān)魚雷的毀傷效果分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

水下爆炸; MK46魚雷; 動態(tài)響應(yīng); 沖擊環(huán)境

0 引言

魚雷是一種自動推進(jìn), 并按預(yù)定的航向和深度航行, 或自動導(dǎo)向目標(biāo), 命中目標(biāo)時(shí)能自動爆炸, 用以打擊目標(biāo)水下部位的水中兵器[1]。魚雷具有進(jìn)攻性強(qiáng)、隱蔽性好及破壞威力大等優(yōu)點(diǎn)而在海戰(zhàn)中廣泛應(yīng)用。其中MK46魚雷是美國生產(chǎn)的輕型魚雷, 可下潛800 m, 是世界上產(chǎn)量最多、庫存數(shù)目最大的反潛魚雷。研究MK46魚雷在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)對魚雷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及水中魚雷攔截等方面具有重要意義。

關(guān)于MK46魚雷在水下爆炸環(huán)境中的動態(tài)響應(yīng)研究成果不多[2-3], 魚雷內(nèi)部動力推進(jìn)系統(tǒng)及指導(dǎo)系統(tǒng)等設(shè)備的沖擊環(huán)境更沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究[4-5], 現(xiàn)開展的工作大多為艦船或潛艇在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)及魚雷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6], 但并未考慮魚雷各部分之間的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)。針對這一現(xiàn)狀, 本文對MK46魚雷進(jìn)行數(shù)值仿真, 建立楔環(huán)連接結(jié)構(gòu), 通過ABAQUS有限元軟件分析魚雷在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)及沖擊環(huán)境。

1 計(jì)算模型及工況設(shè)置

1.1 MK46有限元模型

MK46魚雷重258 kg, 彈長2.59 m, 直徑324 mm,分為自導(dǎo)頭段、戰(zhàn)雷段、燃料艙段和后段4部分, 如圖1所示。按照魚雷具體尺寸建立有限元模型(見圖2), 為模擬不同部分艙室設(shè)備等質(zhì)量對魚雷水下爆炸響應(yīng)的影響, 根據(jù)魚雷各段質(zhì)量分布在魚雷有限元模型上添加質(zhì)量點(diǎn), 使其質(zhì)量分布與實(shí)際魚雷結(jié)構(gòu)接近?？紤]魚雷和海水的耦合, 在魚雷周圍建立流場, 如圖3所示。

圖1 MK46魚雷

圖2 魚雷結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 外部流場有限元模型

為較真實(shí)地模擬魚雷結(jié)構(gòu), 在建模中還考慮到艙段間的楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)。魚雷產(chǎn)品艙段間的連接必不可少, 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, 并可減少魚雷的形狀阻力和噪聲并便于拆裝, 因而具有明顯優(yōu)勢。楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的具體形式見圖4。

圖4 楔環(huán)連接示意圖

魚雷殼體楔環(huán)連接處的幾何形狀較為復(fù)雜, 在建立有限元模型時(shí)需對楔環(huán)連接的幾何模型進(jìn)行必要的改造。如圖5所示, 通過去除楔環(huán)連接幾何模型中的倒角﹑圓角及安裝密封圈的環(huán)槽, 可得到用于有限元分析的楔環(huán)連接模型。

圖5 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.2 工況設(shè)置

炸藥位于魚雷側(cè)面中部, 即坐標(biāo)系中的軸負(fù)向, 如圖6所示。

圖6 炸藥位置

數(shù)值仿真計(jì)算中采用TNT炸藥, 藥包由遠(yuǎn)及近, 各工況設(shè)置見表1。為簡潔描述魚雷結(jié)構(gòu)的沖擊環(huán)境, 在此采用殼體沖擊因子來綜合考慮藥量和爆距對魚雷水下爆炸沖擊響應(yīng)的影響

式中：是TNT炸藥的重量, kg;為爆距, m。

表1 工況設(shè)置

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 MK46魚雷動態(tài)響應(yīng)

魚雷殼體材料為鋁合金, 屈服應(yīng)力為311 MPa, 失效應(yīng)變?nèi)?.24。工況1魚雷的Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變見圖7~圖8, 最大應(yīng)力為377 MPa, 發(fā)生在魚雷首部, 超過材料的屈服應(yīng)力, 出現(xiàn)塑性變形, 最大塑性變形為0.07, 遠(yuǎn)小于材料的失效應(yīng)變, 因此工況1時(shí)魚雷并未發(fā)生損壞, 只有首部出現(xiàn)輕微塑性變形。

圖7 工況1魚雷Mises應(yīng)力云圖

圖8 工況1魚雷等效塑性應(yīng)變云圖

工況1~工況5魚雷殼體的最大等效塑性應(yīng)變及發(fā)生部位如表2所示, 所有工況魚雷首部的塑性變形最大, 即MK46魚雷首部為薄弱環(huán)節(jié)。工況1~工況4殼體的最大等效塑性應(yīng)變均小于鋁合金的失效應(yīng)變, 魚雷均未發(fā)生破壞。

其中工況4時(shí), 魚雷殼體的等效塑性雖未達(dá)到材料的失效應(yīng)變(見圖9）, 但魚雷內(nèi)部的加強(qiáng)筋等效塑性應(yīng)變較大, 超過材料失效應(yīng)變(見圖10), 首部加強(qiáng)筋塑性變形較大, 失去進(jìn)一步承載能力。因此, 當(dāng)沖擊因子更大的工況5時(shí), 魚雷首部殼體最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.25, 超過鋁合金失效應(yīng)變, 可認(rèn)為在1.33殼體沖擊因子下, MK46魚雷發(fā)生破壞, 首部出現(xiàn)破口, 喪失作戰(zhàn)能力, 如圖11所示。

表2 不同工況魚雷殼體最大等效塑性應(yīng)變

圖9 工況4魚雷殼體等效塑性應(yīng)變云圖

圖10 工況4魚雷加強(qiáng)筋等效塑性應(yīng)變云圖

圖11 工況5魚雷等效塑性應(yīng)變云圖

為研究魚雷在水下爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng), 分別在魚雷迎爆面和背爆面取3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析, 迎爆面所取節(jié)點(diǎn)為,,, 背爆面節(jié)點(diǎn)為,,, 分別對應(yīng)魚雷的尾、中、首部, 具體位置如圖12所示。

圖12 魚雷a至f點(diǎn)位置示意圖

以工況1為例, 不同節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)歷響應(yīng)曲線如圖13所示, 加速度響應(yīng)在初始時(shí)刻瞬間達(dá)到最大, 然后逐漸衰減, 迎爆面節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值相對于背爆面更大, 除尾部(a)和(d)節(jié)點(diǎn), 背爆面的加速度響應(yīng)衰減速度更快, 這是迎爆面直接受沖擊波作用的結(jié)果。背爆面對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在加速度衰減后又出現(xiàn)了小幅的躍升, 且加速度波動長時(shí)間維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi), 這是由于沖擊波作用于魚雷迎爆面產(chǎn)生應(yīng)力波, 應(yīng)力波傳遞到背爆面和繞射之后的沖擊波聯(lián)合作用的結(jié)果。

圖13 工況1各節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)

通過對比魚雷首、中及尾部節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)曲線, 各位置都呈現(xiàn)出高頻多峰的現(xiàn)象, 中部節(jié)點(diǎn)由于距炸藥距離最小, 較首尾節(jié)點(diǎn)響應(yīng)峰值更大, 而且波形也較為陡峭, 從而得出隨節(jié)點(diǎn)到爆心距離的減小, 其響應(yīng)幅值也就越小的結(jié)論。對于魚雷尾部節(jié)點(diǎn)(a)和(d), 其響應(yīng)規(guī)律與首部和中部不同, 可能由于雷鰭的存在使沖擊波的傳播及結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生變化, 從而不符合一般水下爆炸響應(yīng)規(guī)律, 導(dǎo)致背爆面節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)衰減減緩。

由圖13(b)可以看出, 魚雷中部迎爆面(b)處的加速度峰值為3.2×104g, 這與沖擊因子為0.5時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)3×104g較為一致, 相對誤差較小, 也驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的正確性。

2.2 MK46魚雷沖擊環(huán)境

結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析, 引入描述待考察設(shè)備沖擊環(huán)境的沖擊譜概念。沖擊譜是沖擊響應(yīng)譜的簡稱, 是假想安裝在該設(shè)備的同一基礎(chǔ)上, 經(jīng)受同樣的瞬態(tài)基礎(chǔ)沖擊運(yùn)動的一系列不同固有頻率的無質(zhì)量線性振子的最大響應(yīng)幅值與其固有頻率的關(guān)系曲線, 也就是說是一組理想單自由度振子對其基礎(chǔ)運(yùn)動的最大響應(yīng)隨振子頻率變化的圖譜。譜值包括相對位移、相對速度和絕對加速度。在艦船設(shè)備的沖擊響應(yīng)分析計(jì)算中, 常用4D坐標(biāo)描述沖擊譜, 其中以速度譜作為縱坐標(biāo), 頻率作為橫坐標(biāo),與橫坐標(biāo)成+45?和-45?的坐標(biāo)系, 分別表示相對位移譜和加速度譜[7]。

工況1~工況4雖然殼體未發(fā)生損壞, 但在水下爆炸沖擊波作用下魚雷內(nèi)部設(shè)備可能受到較大影響。在對設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行考核時(shí)采用對設(shè)備要求較為嚴(yán)格的德軍標(biāo)BV043/85, 對小于5t的設(shè)備抗沖擊要求的沖擊環(huán)境為: 譜速度4.3 cm、譜速度7 m/s及譜加速度320 g。工況4迎爆面中部節(jié)點(diǎn)(b)的沖擊環(huán)境與規(guī)范的比較如圖14所示, 黑色粗線條表示魚雷的沖擊環(huán)境, 雖然譜速度并未達(dá)到規(guī)范要求的設(shè)備抗沖擊考核標(biāo)準(zhǔn), 但譜位移和譜加速度均超過規(guī)范要求, 此時(shí)魚雷內(nèi)部設(shè)備可能已經(jīng)發(fā)生損壞, 從而導(dǎo)致魚雷失去攻擊能力。

圖14 工況4魚雷b點(diǎn)沖擊環(huán)境

表3 魚雷各節(jié)點(diǎn)不同工況下的沖擊環(huán)境

各工況下魚雷迎爆面節(jié)點(diǎn)的沖擊譜參數(shù)比背爆面略大, 這與迎爆面受到?jīng)_擊波作用較強(qiáng)有關(guān)。迎爆面譜加速度增大較為明顯, 距離爆點(diǎn)更近的中部節(jié)點(diǎn)較其他節(jié)點(diǎn)沖擊環(huán)境也較為惡劣, 同時(shí)在同一工況下, 各個(gè)節(jié)點(diǎn)的沖擊環(huán)境基本在同一水平, 波動幅度不是很大。

從工況1到工況4, 隨爆距的減小, 沖擊譜參數(shù)逐漸增大, 即魚雷的沖擊環(huán)境逐漸變的惡劣。譜速度和譜加速度逐漸增大, 而譜位移從工況3開始增加已不是很明顯, 同時(shí)所有工況的譜速度均未達(dá)到BV規(guī)范要求, 因此可認(rèn)為MK46魚雷在承受小于0.67沖擊因子的水下爆炸時(shí), 都不會發(fā)生損壞。但從工況3開始, 魚雷各位置的譜位移和譜加速度基本都比規(guī)范要求大, 魚雷內(nèi)部設(shè)備會受到較大影響, 此時(shí)對魚雷的毀傷需針對魚雷內(nèi)部的具體設(shè)備進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

通過對MK46魚雷進(jìn)行水下爆炸數(shù)值仿真, 分析其在沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)及沖擊環(huán)境, 可得出如下結(jié)論。

1) 不同工況下魚雷首部為薄弱環(huán)節(jié), 塑性變形最大,且首部加強(qiáng)筋比殼體首先達(dá)到失效應(yīng)變, 當(dāng)殼體沖擊因子達(dá)到1.33時(shí)魚雷破損, 失去攻擊能力。

2) 在水下爆炸載荷作用下, 魚雷節(jié)點(diǎn)加速度響應(yīng)呈現(xiàn)出高頻多峰的非線性現(xiàn)象, 迎爆面加速度響應(yīng)幅值更大, 背爆面加速度響應(yīng)衰減較快, 且距爆點(diǎn)最近的中部節(jié)點(diǎn)加速度時(shí)歷曲線比首尾節(jié)點(diǎn)波形陡峭, 峰值更大。

3) 魚雷殼體并未發(fā)生損壞的工況3和工況4, 譜位移和譜加速度比德國BV043/85規(guī)范要求的設(shè)備沖擊譜參數(shù)大, 此時(shí)設(shè)備可能發(fā)生損壞, 需針對魚雷具體設(shè)備進(jìn)行分析, 同時(shí)沖擊因子越大, 魚雷的沖擊環(huán)境越惡劣, 迎爆面的沖擊譜參數(shù)比背爆面略大。

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Structural Dynamic Response Analysis of MK46 Torpedo under Underwater Explosion Load

WANG Jun, SUN Feng, CHEN Ge, ZHU Xiang-gang

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

American MK46 torpedo is numerically simulated in different conditions. The dynamic response and shock environment of MK46 torpedo subjected to underwater explosion is calculated through acoustic coupling algorithm of ABAQUS. The torpedo damage effect is analyzed in different conditions, as well as the acceleration response and the shock environment of each node in different part. Finite element calculation results show that the head of MK46 torpedo is the weak part, and the stiffeners are destroyed firstly. The damage to the torpedo shell occurs when the impact factor is 1.33. There is a clear difference of node acceleration response between the surface facing blast and the surface back to blast, and the impact resistance of the torpedo internal equipment can be analyzed with the spectral parameters of nodes. The study may provide a reference for damage effect analysis and structure design of this kind of torpedoes.

underwater explosion; MK46 torpedo; dynamic response; shock environment

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0293-06

2013-03-11;

2013-05-30.

國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613157), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279038).

王 軍(1989-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動力學(xué).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)