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

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)響應分析

王 軍, 孫 豐, 陳 舸, 祝祥剛

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

通過對美國MK46魚雷進行數(shù)值仿真, 設置不同的工況, 應用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)響應及其沖擊環(huán)境進行仿真計算, 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)點的加速度響應及沖擊環(huán)境。有限元計算結(jié)果表明: MK46魚雷首部為薄弱部分, 首部加強筋首先失效破壞, 當殼體沖擊因子為1.33時魚雷殼體發(fā)生破損; 迎爆面和背爆面節(jié)點加速度響應有較大區(qū)別, 通過節(jié)點的沖擊譜參數(shù)可對魚雷內(nèi)部設備的抗沖擊性能進行分析。本文結(jié)果可對相關(guān)魚雷的毀傷效果分析及結(jié)構(gòu)設計提供參考。

水下爆炸; MK46魚雷; 動態(tài)響應; 沖擊環(huán)境

0 引言

魚雷是一種自動推進, 并按預定的航向和深度航行, 或自動導向目標, 命中目標時能自動爆炸, 用以打擊目標水下部位的水中兵器[1]。魚雷具有進攻性強、隱蔽性好及破壞威力大等優(yōu)點而在海戰(zhàn)中廣泛應用。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)響應對魚雷結(jié)構(gòu)設計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)響應研究成果不多[2-3], 魚雷內(nèi)部動力推進系統(tǒng)及指導系統(tǒng)等設備的沖擊環(huán)境更沒有進行過系統(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)響應及魚雷結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[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)響應及沖擊環(huán)境。

1 計算模型及工況設置

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備等質(zhì)量對魚雷水下爆炸響應的影響, 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, 使其質(zhì)量分布與實際魚雷結(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雜, 在建立有限元模型時需對楔環(huán)連接的幾何模型進行必要的改造。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 工況設置

炸藥位于魚雷側(cè)面中部, 即坐標系中的軸負向, 如圖6所示。

圖6 炸藥位置

數(shù)值仿真計算中采用TNT炸藥, 藥包由遠及近, 各工況設置見表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的影響

式中：是TNT炸藥的重量, kg;為爆距, m。

表1 工況設置

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 MK46魚雷動態(tài)響應

魚雷殼體材料為鋁合金, 屈服應力為311 MPa, 失效應變?nèi)?.24。工況1魚雷的Mises應力及等效塑性應變見圖7~圖8, 最大應力為377 MPa, 發(fā)生在魚雷首部, 超過材料的屈服應力, 出現(xiàn)塑性變形, 最大塑性變形為0.07, 遠小于材料的失效應變, 因此工況1時魚雷并未發(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應力云圖

圖8 工況1魚雷等效塑性應變云圖

工況1~工況5魚雷殼體的最大等效塑性應變及發(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變均小于鋁合金的失效應變, 魚雷均未發(fā)生破壞。

其中工況4時, 魚雷殼體的等效塑性雖未達到材料的失效應變(見圖9）, 但魚雷內(nèi)部的加強筋等效塑性應變較大, 超過材料失效應變(見圖10), 首部加強筋塑性變形較大, 失去進一步承載能力。因此, 當沖擊因子更大的工況5時, 魚雷首部殼體最大等效塑性應變?yōu)?.25, 超過鋁合金失效應變, 可認為在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變

圖9 工況4魚雷殼體等效塑性應變云圖

圖10 工況4魚雷加強筋等效塑性應變云圖

圖11 工況5魚雷等效塑性應變云圖

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

圖12 魚雷a至f點位置示意圖

以工況1為例, 不同節(jié)點加速度時歷響應曲線如圖13所示, 加速度響應在初始時刻瞬間達到最大, 然后逐漸衰減, 迎爆面節(jié)點的加速度響應峰值相對于背爆面更大, 除尾部(a)和(d)節(jié)點, 背爆面的加速度響應衰減速度更快, 這是迎爆面直接受沖擊波作用的結(jié)果。背爆面對應的節(jié)點在加速度衰減后又出現(xiàn)了小幅的躍升, 且加速度波動長時間維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi), 這是由于沖擊波作用于魚雷迎爆面產(chǎn)生應力波, 應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)點加速度響應

通過對比魚雷首、中及尾部節(jié)點加速度響應曲線, 各位置都呈現(xiàn)出高頻多峰的現(xiàn)象, 中部節(jié)點由于距炸藥距離最小, 較首尾節(jié)點響應峰值更大, 而且波形也較為陡峭, 從而得出隨節(jié)點到爆心距離的減小, 其響應幅值也就越小的結(jié)論。對于魚雷尾部節(jié)點(a)和(d), 其響應規(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)響應發(fā)生變化, 從而不符合一般水下爆炸響應規(guī)律, 導致背爆面節(jié)點的加速度響應衰減減緩。

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時的試驗數(shù)據(jù)3×104g較為一致, 相對誤差較小, 也驗證了本文計算結(jié)果的正確性。

2.2 MK46魚雷沖擊環(huán)境

結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學分析, 引入描述待考察設備沖擊環(huán)境的沖擊譜概念。沖擊譜是沖擊響應譜的簡稱, 是假想安裝在該設備的同一基礎上, 經(jīng)受同樣的瞬態(tài)基礎沖擊運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運動的最大響應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。在艦船設備的沖擊響應分析計算中, 常用4D坐標描述沖擊譜, 其中以速度譜作為縱坐標, 頻率作為橫坐標,與橫坐標成+45?和-45?的坐標系, 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)部設備可能受到較大影響。在對設備的抗沖擊性能進行考核時采用對設備要求較為嚴格的德軍標BV043/85, 對小于5t的設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(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, 雖然譜速度并未達到規(guī)范要求的設備抗沖擊考核標準, 但譜位移和譜加速度均超過規(guī)范要求, 此時魚雷內(nèi)部設備可能已經(jīng)發(fā)生損壞, 從而導致魚雷失去攻擊能力。

圖14 工況4魚雷b點沖擊環(huán)境

表3 魚雷各節(jié)點不同工況下的沖擊環(huán)境

各工況下魚雷迎爆面節(jié)點的沖擊譜參數(shù)比背爆面略大, 這與迎爆面受到?jīng)_擊波作用較強有關(guān)。迎爆面譜加速度增大較為明顯, 距離爆點更近的中部節(jié)點較其他節(jié)點沖擊環(huán)境也較為惡劣, 同時在同一工況下, 各個節(jié)點的沖擊環(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, 同時所有工況的譜速度均未達到BV規(guī)范要求, 因此可認為MK46魚雷在承受小于0.67沖擊因子的水下爆炸時, 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)部設備會受到較大影響, 此時對魚雷的毀傷需針對魚雷內(nèi)部的具體設備進行分析。

3 結(jié)論

通過對MK46魚雷進行水下爆炸數(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,且首部加強筋比殼體首先達到失效應變, 當殼體沖擊因子達到1.33時魚雷破損, 失去攻擊能力。

2) 在水下爆炸載荷作用下, 魚雷節(jié)點加速度響應呈現(xiàn)出高頻多峰的非線性現(xiàn)象, 迎爆面加速度響應幅值更大, 背爆面加速度響應衰減較快, 且距爆點最近的中部節(jié)點加速度時歷曲線比首尾節(jié)點波形陡峭, 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)范要求的設備沖擊譜參數(shù)大, 此時設備可能發(fā)生損壞, 需針對魚雷具體設備進行分析, 同時沖擊因子越大, 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.

國家安全重大基礎研究項目(613157), 國家自然科學基金項目(51279038).

王 軍(1989-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學.

(責任編輯: 楊力軍)