李靜肖，陳彥勇，張 濤，許 達(dá)

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

0 引 言

隨著魚雷技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)先進(jìn)程度越來越高，反潛訓(xùn)練對靶標(biāo)的使用要求也不斷提高。魚雷撞擊目標(biāo)靶時，雷頭引信部位加速度需達(dá)到一定幅值及脈寬才能使觸發(fā)引信動作[1-2]，因此靶體結(jié)構(gòu)剛度是否滿足觸發(fā)引信動作要求是靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一項關(guān)鍵內(nèi)容。目前對于水下碰撞問題的研究主要是采用數(shù)值仿真法，數(shù)值仿真方法可較為全面地模擬和再現(xiàn)整個碰撞歷程，但由于雷-靶碰撞是一復(fù)雜的多學(xué)科綜合性課題，碰撞過程中涉及大量非線性綜合問題，同時鑒于靶體結(jié)構(gòu)的特殊性，碰撞過程中許多細(xì)節(jié)難以通過數(shù)值仿真計算手段進(jìn)行研究。因此為了獲得到直觀可靠的碰撞數(shù)據(jù)，同時驗證所用仿真分析方法的準(zhǔn)確性，繼而指導(dǎo)靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行相關(guān)試驗研究必不可少。

本文擬通過靶體典型結(jié)構(gòu)陸上臺架碰撞試驗，對不同撞擊工況下的靶體碰撞特性進(jìn)行研究，首先基于非線性有限元技術(shù)，利用商業(yè)有限元軟件Ls-dyna對2種典型試驗工況進(jìn)行預(yù)測，然后開展試驗，對多工況下雷頭撞擊靶板進(jìn)行研究，分析不同撞擊參數(shù)對靶板變形模式及動態(tài)響應(yīng)的影響，并將仿真結(jié)果與試驗進(jìn)行對比，驗證所用仿真方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的靶體設(shè)計提供參考。

1 靶板典型結(jié)構(gòu)碰撞仿真預(yù)測

為了更好地研究碰撞過程中的動態(tài)響應(yīng)，本文利用Ls-dyna軟件對2種試驗工況（1#工況撞頭以6.5 m/s速度撞擊2 mm靶板、2#工況撞頭以9.9 m/s速度撞擊2 mm靶板）進(jìn)行數(shù)值仿真，通過對靶板結(jié)構(gòu)響應(yīng)及撞頭加速度響應(yīng)進(jìn)行分析，深入探討雷靶碰撞特性，同時將仿真與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所用仿真方法的準(zhǔn)確性。

1.1 有限元模型

1.1.1 撞頭模型

撞頭中前部模型根據(jù)魚雷相關(guān)資料建立，考慮到碰撞過程中撞頭后部不參與撞擊，將其簡化為一實體，通過調(diào)整密度使撞頭整體質(zhì)量與全雷相同。撞頭采用六面體實體單元模擬，為提高計算精度，對撞頭前端主要撞擊區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。撞頭首段覆蓋有硫化橡膠層，采用超彈性材料模型模擬，撞頭金屬部分采用雙線性各向同性硬化彈塑性材料模型模擬，后端配重區(qū)域為剛體材料。撞頭有限元模型如圖1所示。

圖 1 撞頭有限元模型Fig. 1 The FEM model of striker

1.1.2 靶板模型

靶板尺寸與試驗所用靶板尺寸相同，在靶板下方設(shè)有限位框，使其安裝方式與試驗條件相同。靶板材料采用各向同性、分段線性硬化彈塑性材料模型模擬，限位框架采用剛體材料進(jìn)行模擬。靶板及限位框有限元模型如圖2所示。

圖 2 靶板及限位框有限元模型Fig. 2 The FEM model of target and bounding box

1.1.3 撞頭與靶板約束和定位

為保證仿真與試驗條件相吻合，約束撞頭水平方向運動，使其只做垂向運動，同時約束撞頭3個方向的轉(zhuǎn)動。

根據(jù)試驗中靶板的安裝與約束情況，仿真中對靶板四周通過設(shè)定多個約束將靶板定位在限位框上，約束布置位置與試驗中螺釘安裝位置相同。靶板約束情況如圖3所示。

圖 3 靶板約束圖Fig. 3 The constraint of target

1.2 計算相關(guān)參數(shù)設(shè)定

1.2.1 材料失效條件

撞頭撞擊到靶板時，靶板以及周邊約束會因為產(chǎn)生大變形而出現(xiàn)斷裂及失效。本文仿真中為準(zhǔn)確預(yù)報結(jié)構(gòu)的斷裂及失效，考慮了材料的應(yīng)變率效應(yīng)，引入了最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則[3 – 4]。該準(zhǔn)則中當(dāng)靶體碰撞區(qū)域某個單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到最大塑性失效應(yīng)變時該單元失效，不再具有強度，不參與后面的計算。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，靶板失效參數(shù)取 0.35，約束部位取0.7[5 – 6]。

1.2.2 接觸與摩擦

在動態(tài)接觸問題中，不同構(gòu)件之間的相對運動引起的接觸與摩擦是2個關(guān)鍵問題[7 – 8]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，本文采用Ls-dyna自帶的基于主-從面的動態(tài)接觸算法計算碰撞過程中撞頭與靶板的接觸[9]。

碰撞過程中撞頭與靶板的相對滑動會產(chǎn)生摩擦，摩擦力可通過經(jīng)典庫侖摩擦定理進(jìn)行計算，摩擦力大小由下式確定[10]：

式中：Ff為摩擦力；為摩擦系數(shù)；FN為法向接觸力；摩擦系數(shù)由下式確定：

1.3 仿真結(jié)果與分析

1.3.1 靶板變形

圖4顯示了1#工況對應(yīng)仿真所得碰撞過程中靶板的應(yīng)變情況，仿真結(jié)果表明撞頭撞擊后靶板中心出現(xiàn)了明顯的凹陷，同時靶板四周由于約束出現(xiàn)失效，從而出現(xiàn)了繞曲及變形。通過與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，2種方法所得靶板變形情況較為吻合。

圖 4 工況 1 靶板變形圖Fig. 4 The target deformation on test condition 1

圖5顯示了碰撞過程中靶體應(yīng)變，碰撞后靶板撞擊區(qū)域出現(xiàn)了明顯凹陷，同時邊界約束條件大量失效，靶板脫離約束框架向中間凹陷。靶板變形情況與試驗所得結(jié)果相吻合。

圖 5 工況 2 靶板變形圖Fig. 5 The target deformation on test condition 2

1.3.2 撞頭加速度變化

圖6顯示了仿真與試驗所得加速度響應(yīng)時歷曲線?？梢钥闯?，在整個碰撞過程中加速度變化趨勢基本一致，同時加速度峰值也處于同一數(shù)值水平。在碰撞后期，由于仿真中不存在撞頭撞擊限位框的情況，因此加速度在碰撞結(jié)束后不再發(fā)生變化，而試驗中由于撞頭下落后撞擊到限位塊，碰撞結(jié)束后仍會出現(xiàn)一定程度的加速度波動。

圖 6 仿真與試驗所得加速度響應(yīng)對比Fig. 6 The comparison of acceleration response

通過對試驗與仿真所得結(jié)果對比及分析，發(fā)現(xiàn)靶體變形不論從變形范圍、模式及大小上，兩者均具有良好的一致性，同時加速度變化曲線變化趨勢一致，吻合度好，在一定程度上驗證了本文所采用數(shù)值仿真方法的適用性及準(zhǔn)確性。

2 靶體典型結(jié)構(gòu)碰撞試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

為了研究靶板在雷頭撞擊下的破壞形式，同時檢驗靶體結(jié)構(gòu)剛度是否能滿足魚雷觸發(fā)引信動作條件，本試驗選取靶體環(huán)肋間隔最大處蒙皮作為典型區(qū)域，并根據(jù)靶上實際安裝形式對蒙皮進(jìn)行約束，開展典型區(qū)域碰撞試驗。所用靶板試件材料為Q345鋼板，尺寸為 960 mm×820 mm，有效撞擊面積為 720 mm×530 mm，靶板有效面積外圍通過M6高強度螺釘固定在底座上。靶板厚度分別為 1.5 mm，2.0 mm 和 3.0 mm（以實測厚度為準(zhǔn)）。撞頭尺寸與魚雷雷頭相同，撞頭后部通過增加配重塊使撞頭質(zhì)量與全雷質(zhì)量相同。

2.2 試驗原理

試驗開始前將靶板對中安裝至沖擊塔軌道下方底座上，并將撞頭對心，將撞頭沿軌道提升至指定高度h，通過電磁開關(guān)控制撞頭沿軌道做自由落體運動。撞頭撞擊靶板時的初速度，此速度通過置于軌道上的光電門進(jìn)行測量，撞擊過程中撞頭引信部位的加速度通過加速度傳感器測量。試驗工況如表1所示。

表 1 試驗工況Tab. 1 Experiment condition

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 不同撞擊速度下靶板變形及加速度響應(yīng)

圖7顯示了2.0 mm靶板在3種不同撞擊速度下（工況1、工況2、工況3）靶板變形情況?？梢钥闯觯矒艉?，靶板呈現(xiàn)不同程度的整體繞曲及凹陷，靶板中心局部區(qū)域變形形狀與撞頭形狀相符，靶板在變形過程中邊界上的螺釘出現(xiàn)了失效。

圖 7 不同撞擊速度下靶板變形圖Fig. 7 The target deformation on different impacting velocity

隨著撞擊速度的增加，靶板變形程度更為明顯，中心凹陷深度增加，邊界上螺釘失效和斷裂數(shù)量增加。特別是在14.89 m/s速度下，由于撞擊力較大，螺釘斷裂，靶板大部分區(qū)域與固定框架脫離，靶板整體向內(nèi)部凹陷。

圖8顯示了上述不同撞擊速度下撞頭監(jiān)測點部位加速度響應(yīng)。可以看出，碰撞過程中加速度變化呈現(xiàn)很強的非線性特征，在不同碰撞時期，加速度出現(xiàn)不同程度的卸載，這表明在碰撞過程中靶板出現(xiàn)不同程度的變形以及四周螺釘?shù)氖?。在工況2下，加速度呈現(xiàn)大幅值，長脈寬的“拱形”區(qū)域，說明此工況下靶板為明顯的塑性變形，且變形較慢，周邊螺釘失效不明顯。但隨著碰撞速度的增加，“拱形”區(qū)域愈發(fā)變窄，加速度曲線卸載出現(xiàn)的更加頻繁且明顯，意味著靶板變形更大，且周邊螺釘失效破壞程度更大，這也與圖7中靶板的變形情況吻合。上述試驗工況下加速度拱形區(qū)域的幅值和脈寬均能包絡(luò)魚雷觸發(fā)引信動作要求，此厚度靶板及固定方式滿足目標(biāo)靶剛度要求。

圖 8 不同撞擊速度下撞頭監(jiān)測點加速度響應(yīng)Fig. 8 The acceleration response of check point on different impacting velocity

2.3.2 不同厚度下靶板變形及加速度響應(yīng)

圖9顯示了10 m高度撞頭下落撞擊不同厚度靶板時靶板變形情況?？梢钥闯?，撞頭直接穿透了1.4 mm靶板，同時靶板出現(xiàn)一定程度繞曲和變形，四周邊界上的螺釘未出現(xiàn)明顯失效。撞頭未穿透2.1 mm靶板和3.3 mm靶板，但2種厚度靶板均出現(xiàn)了明顯變形和向內(nèi)凹陷，且四周螺釘出現(xiàn)了斷裂和失效。隨著靶板厚度的增加，撞頭穿透靶板的可能性減小，靶板變形程度減小。

圖 9 不同靶板厚度下靶板變形圖Fig. 9 The different thickness target deformation

圖10顯示了撞頭撞擊不同厚度靶板時的加速度響應(yīng)。可以看出，當(dāng)撞頭撞擊1.4 mm靶板時，加速度出現(xiàn)非常明顯的峰值卸載，這是由于撞頭動能較大，靶板吸能能力以及強度有限，撞頭穿透靶板后撞擊力急劇減小所導(dǎo)致的。隨著靶板厚度的增加，靶板強度增加，加速度出現(xiàn)多次卸載，這是由于靶板部分邊界失效引起的，但并未出現(xiàn)因靶板被穿透而導(dǎo)致的明顯峰值卸載。同時隨著靶板厚度的增加，加速度“拱形”區(qū)域出現(xiàn)一定程度的延后。通過對比上述工況加速度曲線，并結(jié)合工程需求發(fā)現(xiàn)，若采用1.5 m m靶板會導(dǎo)致魚雷撞擊目標(biāo)靶時加速度脈寬無法滿足觸發(fā)引信動作要求，3.0 mm靶板強度雖能滿足撞擊時觸發(fā)引信動作要求，但會增加目標(biāo)靶重量以及生產(chǎn)成本，因此結(jié)合上節(jié)所得結(jié)論，采用2.0 mm靶板作為目標(biāo)板蒙皮既能滿足觸發(fā)引信動作要求，又可節(jié)約成本。

3 結(jié) 語

本文針對魚雷撞擊目標(biāo)靶時靶體結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及魚雷加速度響應(yīng)進(jìn)行了典型結(jié)構(gòu)陸上臺架試驗以及仿真分析，主要結(jié)論如下：

圖 10 撞頭撞擊不同厚度靶板加速度響應(yīng)時歷曲線Fig. 10 The acceleration response of check point on different target thickness

1）由試驗結(jié)果分析可得，靶板在受撞擊后其變形主要表現(xiàn)為靶板中心撞擊區(qū)域的凹陷以及約束邊界的繞曲，而靶板出現(xiàn)破壞時呈現(xiàn)為花瓣形破口，破口形狀與撞頭形狀相吻合。同時隨著撞擊速度的增加，靶板變形程度更加劇烈，約束失效更為明顯，加速度峰值更高，響應(yīng)更劇烈，符合物理規(guī)律。

2）不同板厚對靶板響應(yīng)也存在一定影響，薄板在高速撞擊下會出現(xiàn)破壞，撞頭穿過靶板，而隨板厚增加靶板變形程度逐漸減小，加速度“拱形”區(qū)域出現(xiàn)時間有所延后。對比多工況下試驗結(jié)果，并結(jié)合工程實際，采用2 mm厚度靶板既能滿足靶體結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計要求，又能控制靶體重量。

3）通過與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，仿真所得靶板變形及加速度響應(yīng)和試驗結(jié)果具有良好的一致性，所采用數(shù)值仿真方法適用于該問題的分析，并具有較高準(zhǔn)確性。