雷-靶碰撞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)與仿真分析

李靜肖，陳彥勇，張 濤，許 達(dá)

(中國(guó)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(yú)雷技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)先進(jìn)程度越來(lái)越高，反潛訓(xùn)練對(duì)靶標(biāo)的使用要求也不斷提高。魚(yú)雷撞擊目標(biāo)靶時(shí)，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(dòng)作[1-2]，因此靶體結(jié)構(gòu)剛度是否滿(mǎn)足觸發(fā)引信動(dòng)作要求是靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。目前對(duì)于水下碰撞問(wèn)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(gè)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(guò)程中涉及大量非線(xiàn)性綜合問(wèn)題，同時(shí)鑒于靶體結(jié)構(gòu)的特殊性，碰撞過(guò)程中許多細(xì)節(jié)難以通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究必不可少。

本文擬通過(guò)靶體典型結(jié)構(gòu)陸上臺(tái)架碰撞試驗(yàn)，對(duì)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(xiàn)性有限元技術(shù)，利用商業(yè)有限元軟件Ls-dyna對(duì)2種典型試驗(yàn)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)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(duì)靶板變形模式及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所用仿真方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的靶體設(shè)計(jì)提供參考。

1 靶板典型結(jié)構(gòu)碰撞仿真預(yù)測(cè)

為了更好地研究碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文利用Ls-dyna軟件對(duì)2種試驗(yàn)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(guò)對(duì)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(shí)將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(yú)雷相關(guān)資料建立，考慮到碰撞過(guò)程中撞頭后部不參與撞擊，將其簡(jiǎn)化為一實(shí)體，通過(guò)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(shí)體單元模擬，為提高計(jì)算精度，對(duì)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(xiàn)性各向同性硬化彈塑性材料模型模擬，后端配重區(qū)域?yàn)閯傮w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(yàn)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(yàn)條件相同。靶板材料采用各向同性、分段線(xiàn)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(yàn)條件相吻合，約束撞頭水平方向運(yùn)動(dòng)，使其只做垂向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)約束撞頭3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)試驗(yàn)中靶板的安裝與約束情況，仿真中對(duì)靶板四周通過(guò)設(shè)定多個(gè)約束將靶板定位在限位框上，約束布置位置與試驗(yàn)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(jì)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(shí)，靶板以及周邊約束會(huì)因?yàn)楫a(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(bào)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(gè)單元的等效塑性應(yīng)變達(dá)到最大塑性失效應(yīng)變時(shí)該單元失效，不再具有強(qiáng)度，不參與后面的計(jì)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(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題中，不同構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的接觸與摩擦是2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)態(tài)接觸算法計(jì)算碰撞過(guò)程中撞頭與靶板的接觸[9]。

碰撞過(guò)程中撞頭與靶板的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦，摩擦力可通過(guò)經(jīng)典庫(kù)侖摩擦定理進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)仿真所得碰撞過(guò)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(shí)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(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(guò)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(shí)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(yàn)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(yàn)所得加速度響應(yīng)時(shí)歷曲線(xiàn)?？梢钥闯觯谡麄€(gè)碰撞過(guò)程中加速度變化趨勢(shì)基本一致，同時(shí)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(yàn)中由于撞頭下落后撞擊到限位塊，碰撞結(jié)束后仍會(huì)出現(xiàn)一定程度的加速度波動(dòng)。

圖 6 仿真與試驗(yàn)所得加速度響應(yīng)對(duì)比Fig. 6 The comparison of acceleration response

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)與仿真所得結(jié)果對(duì)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(shí)加速度變化曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致，吻合度好，在一定程度上驗(yàn)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了研究靶板在雷頭撞擊下的破壞形式，同時(shí)檢驗(yàn)靶體結(jié)構(gòu)剛度是否能滿(mǎn)足魚(yú)雷觸發(fā)引信動(dòng)作條件，本試驗(yàn)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(shí)際安裝形式對(duì)蒙皮進(jìn)行約束，開(kāi)展典型區(qū)域碰撞試驗(yàn)。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(guò)M6高強(qiáng)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(shí)測(cè)厚度為準(zhǔn)）。撞頭尺寸與魚(yú)雷雷頭相同，撞頭后部通過(guò)增加配重塊使撞頭質(zhì)量與全雷質(zhì)量相同。

2.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)開(kāi)始前將靶板對(duì)中安裝至沖擊塔軌道下方底座上，并將撞頭對(duì)心，將撞頭沿軌道提升至指定高度h，通過(guò)電磁開(kāi)關(guān)控制撞頭沿軌道做自由落體運(yùn)動(dòng)。撞頭撞擊靶板時(shí)的初速度，此速度通過(guò)置于軌道上的光電門(mén)進(jìn)行測(cè)量，撞擊過(guò)程中撞頭引信部位的加速度通過(guò)加速度傳感器測(cè)量。試驗(yàn)工況如表1所示。

表 1 試驗(yàn)工況Tab. 1 Experiment condition

2.3 試驗(yàn)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?，撞擊后，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(guò)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(cè)點(diǎn)部位加速度響應(yīng)?？梢钥闯觯鲎策^(guò)程中加速度變化呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線(xiàn)性特征，在不同碰撞時(shí)期，加速度出現(xiàn)不同程度的卸載，這表明在碰撞過(guò)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(zhǎng)脈寬的“拱形”區(qū)域，說(shuō)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(xiàn)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(yàn)工況下加速度拱形區(qū)域的幅值和脈寬均能包絡(luò)魚(yú)雷觸發(fā)引信動(dòng)作要求，此厚度靶板及固定方式滿(mǎn)足目標(biāo)靶剛度要求。

圖 8 不同撞擊速度下撞頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)靶板變形情況。可以看出，撞頭直接穿透了1.4 mm靶板，同時(shí)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(shí)的加速度響應(yīng)?？梢钥闯?，當(dāng)撞頭撞擊1.4 mm靶板時(shí)，加速度出現(xiàn)非常明顯的峰值卸載，這是由于撞頭動(dòng)能較大，靶板吸能能力以及強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(guò)對(duì)比上述工況加速度曲線(xiàn)，并結(jié)合工程需求發(fā)現(xiàn)，若采用1.5 m m靶板會(huì)導(dǎo)致魚(yú)雷撞擊目標(biāo)靶時(shí)加速度脈寬無(wú)法滿(mǎn)足觸發(fā)引信動(dòng)作要求，3.0 mm靶板強(qiáng)度雖能滿(mǎn)足撞擊時(shí)觸發(fā)引信動(dòng)作要求，但會(huì)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(mǎn)足觸發(fā)引信動(dòng)作要求，又可節(jié)約成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)魚(yú)雷撞擊目標(biāo)靶時(shí)靶體結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及魚(yú)雷加速度響應(yīng)進(jìn)行了典型結(jié)構(gòu)陸上臺(tái)架試驗(yàn)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(shí)歷曲線(xiàn)Fig. 10 The acceleration response of check point on different target thickness

1）由試驗(yàn)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(shí)呈現(xiàn)為花瓣形破口，破口形狀與撞頭形狀相吻合。同時(shí)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(duì)靶板響應(yīng)也存在一定影響，薄板在高速撞擊下會(huì)出現(xiàn)破壞，撞頭穿過(guò)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(shí)間有所延后。對(duì)比多工況下試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)際，采用2 mm厚度靶板既能滿(mǎn)足靶體結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求，又能控制靶體重量。

3）通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真所得靶板變形及加速度響應(yīng)和試驗(yàn)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(wèn)題的分析，并具有較高準(zhǔn)確性。