魚雷緩沖頭帽入水沖擊性能研究

徐新棟, 李建辰, 曹小娟

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魚雷緩沖頭帽入水沖擊性能研究

徐新棟1,2, 李建辰1,2, 曹小娟1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

針對魚雷緩沖頭帽入水沖擊過程理論分析困難、頭帽強度設計邊界難以確定的問題, 采用ABAQUS軟件建立了頭帽入水有限元模型。研究了其入水沖擊時組件應力分布規律, 得出了尖拱形頭帽以最小速度垂直入水時最難破裂, 將此工況作為頭帽強度設計的上邊界, 研究了影響頭帽破裂的關鍵因素, 相應給出了2種使頭帽入水后更易破裂的改進方法, 即降低頭帽組件與雷體之間摩擦力和削弱整流罩強度, 并通過仿真進行了驗證。仿真結果表明, 這2種改進方法都可以使頭帽更容易破裂, 如果同時采用這2種方法, 則能夠達到更理想的入水效果。

魚雷; 緩沖頭帽; 入水沖擊; 有限元模型

0 引言

入水緩沖頭帽用于火箭助飛魚雷和飛機高空投放的魚雷, 在空中為魚雷提供良好的氣動外形, 減小飛行阻力, 保護雷頭橡膠免受空氣摩擦熱的影響; 在魚雷高速入水時, 頭帽受水沖擊破裂解體脫離魚雷, 既不影響魚雷水中正常工作, 又能保護殼體結構及雷內儀器免受入水載荷的沖擊損害[1]。

頭帽的特殊功能決定了其嚴格的強度設計要求: 既要能承受空中高速飛行時的氣動壓力, 即強度有下邊界; 又要保證入水沖擊時能破裂解體脫離魚雷, 即強度有上邊界。而頭帽空中飛行和入水沖擊工況復雜, 上下邊界均是離散的區域帶, 如圖1所示, 頭帽強度設計邊界——最惡劣飛行工況和最安全入水工況并無明確定義, 尤其入水過程是包含眾多學科的綜合性力學過程, 理論分析非常困難[2], 使得頭帽設計一直是空投(助飛)魚雷研制的一大難點。

圖1 頭帽強度設計要求

國內外許多學者對此進行了研究[1,3-7], 從理論上對入水載荷、頭帽各組件應力狀態等進行了分析。但是, 限于計算機技術的發展, 早期的理論分析中做了大量簡化, 使用了較多經驗公式, 對組件的幾何特征也進行了簡化處理, 其力學分析只能估算范圍和趨勢, 不能精確計算各組件的應力狀態。這就導致工程應用中出現兩方面問題: 頭帽在部分入水工況下不能破裂解體, 而要削弱頭帽卻無法確定最安全入水工況和最惡劣飛行工況兩個邊界; 由于沒有完整的結構分析模型, 缺乏足夠的頭帽入水沖擊規律性結論, 頭帽改型理論依據不足, 改型主要依靠經驗設計, 并要通過試驗來驗證, 大大增加了研發周期和成本。因此, 建立頭帽的結構分析模型并研究相關規律顯得尤為重要。

雖然空中飛行狀態可用風洞試驗來模擬, 采用不同姿態不同相對風速可模擬各種飛行工況, 從而確定最惡劣飛行工況, 但是入水狀態很難控制, 試驗測量困難, 并且試驗成本非常高, 使得最安全入水工況一直難以確定。

隨著計算機輔助分析技術的飛速發展, 有限元法在瞬態動力學分析中得到廣泛應用, 可節省試驗成本, 提高設計效率[8-9]。本文采用ABAQUS軟件建立了頭帽入水沖擊有限元模型, 研究了頭帽入水沖擊時應力規律, 確定了最安全入水工況, 分析了影響頭帽整流罩破裂的關鍵因素, 并相應給出了提高頭帽性能的改進方法。

1 有限元模型的建立

文獻[1]提出了頭帽設計的原理方案, 其結構見圖2。頭帽由尖拱形整流罩和粘貼于其內壁的泡沫墊、定位擋塊、彈簧片組合組成。整流罩采用不飽和聚酯樹脂加短切纖維增強基復合材料, 其入水沖擊時脆性破裂決定了頭帽破裂(即整流罩破裂導致頭帽解體); 泡沫墊使用聚氨酯泡沫, 起支撐結構并緩沖過載作用; 彈簧片組合使用彈簧鋼, 靠其裝配時的彈性變形預應力將頭帽箍緊在雷體上以實現頭帽與雷體穩固連接; 擋塊起頭帽軸向定位作用。

圖2 頭帽組件示意圖

ABAQUS通用有限元軟件具有強健的計算功能和廣泛的模擬性能, 擁有大量不同種類的單元類型、材料模型和程序算法, 尤其是接觸非線性、動態沖擊分析功能強大, 并且具有流固耦合分析功能[10-11], 基于此, 采用ABAQUS軟件進行頭帽入水沖擊建模分析。

用流固耦合動態分析模擬魚雷攜帶頭帽入水過程, 即固體結構采用Lagrange單元, 水域采用Euler單元, 通過直接耦合結構網格和流體網格可以計算出每一時間步流固界面處的物理量, 采用底邊固定其他邊界開放的長方體水域模擬無限水體[12]。由于僅關注雷頭應力, 為減少計算量, 將后段雷體用其質心位置的質量點代替, 質量點固定耦合在雷頭后端面上, 全雷以一定速度和角度沖擊水域。頭帽入水沖擊有限元模型如圖3。

2 入水沖擊仿真

2.1 入水速度VR對頭帽應力狀態的影響

圖3 頭帽入水沖擊有限元模型

頭帽入水仿真過程如圖4。

圖4 頭帽入水仿真過程

考察雷頭最大應力可以判斷頭帽是否起到保護作用, 仿真結果見表1, 可以看出, 受頭帽保護的雷頭鋁合金和橡膠層在整個入水過程中最大應力遠未達到失效應力。

表1 不同速度垂直入水過程中雷頭應力峰值

頭帽上各組件在入水過程中允許失效, 由于主要關心整流罩的破裂狀態, 其余不詳細分析。整流罩破裂狀態如圖5和圖6所示。

圖5 25 m/s垂直入水15 ms時整流罩破裂狀態

Fig.5 Crack state of fairing for vertical water-entry at 25 m/s in 15 ms

圖6 40 m/s垂直入水15 ms時整流罩破裂狀態

Fig.6 Crack state of fairing for vertical water-entry at 40 m/s in 15 ms

觀察圖5, 整流罩雖為脆性材料, 但只有前端局部出現失效應力區, 是否能夠完全破裂存在一定隨機性; 而圖6中, 絕大部分為失效應力區, 頭帽完全可以脆性開裂。

2.2 入水角度q對頭帽整流罩應力狀態的影響

圖7 25 m/s, 75°入水15 ms時整流罩破裂狀態

Fig.7 Crack state of fairing for water-entry at 25 m/s and 75° in 15 ms

圖8 25 m/s, 60°入水15 ms時整流罩破裂狀態

Fig.8 Crack state of fairing for water-entry at 25 m/s and 60° in 15 ms

表2 整流罩失效單元統計

綜上所述, 尖拱形頭帽以最小速度垂直入水為最安全入水工況, 此時整流罩最難破裂。該工況下仿真結果顯示, 整流罩前部破裂, 后部較為完整, 整體不一定破裂, 這可解釋為何工程實際中頭帽有時不能解體。為了使頭帽在最安全入水工況下完全能夠解體, 需要對頭帽結構進行改進。

3 頭帽結構改進

3.1 頭帽破裂因素

根據入水沖擊環境分析, 導致頭帽整流罩破裂的因素有3種[1]: 1)撞水時整流罩沾水部位在沖擊壓力作用下局部碎裂; 2)軸向力使頭帽向雷頭擠壓整體脹裂; 3)侵水橫向彎矩使整流罩后端根部因翹彎作用而斷裂。

頭帽入水沖擊時, 入水角度越大, 軸向沖擊力越大, 法向力越小, 在最安全入水工況下, 頭帽承受的法向載荷為零[13], 此時不存在第3種因素導致的破裂, 因此根據前2種因素進行改進。

3.2 整流罩削弱

分析第1種導致整流罩破裂的因素。增大水對整流罩局部的沖擊作用, 最直接方法是削弱整流罩強度。整流罩是脆性材料, 忽略其撞水時的彈性緩沖效果, 壁厚越小越容易破裂, 但是整流罩外形關系到整體氣動性能, 內形關系到與其接觸的多個組件的形狀, 所以直接減小壁厚比較困難。觀察最安全入水工況下整流罩的破裂狀態, 前段全部破裂, 且裂紋有沿軸向擴展的趨勢, 若能改進結構使裂紋沿軸向順利擴展到后端, 則更容易整體破裂。孔、槽等特征能增大局部應力[14], 為了使軸線方向應力連續較大, 可在整流罩內壁沿軸向開槽。為保持整流罩的氣動面, 開槽不能打透壁厚; 整流罩為軸對稱外形, 入水沖擊時哪側先碰水是隨機的, 結合彈簧片的布置位置, 這里對整流罩環向均勻開多個槽, 每個槽位于相鄰2組彈簧片的中間, 從頭部貫通到尾端。這種開槽方式也有利于工藝實現, 開槽后的狀態如圖9。

圖9 整流罩內壁開槽狀態示意圖

用深度和圓心角來定義槽大小, 開槽越大, 對整流罩強度削弱程度越大, 結合整流罩壁厚和模壓加工工藝,最大取2 mm, 考慮到彈簧片的布置,最大可取20°。對頭帽的任何結構改進都必須滿足飛行時的強度要求, 因此, 必須對、取最大值開槽的頭帽在最惡劣飛行工況下進行校核。由風洞試驗可得到最惡劣飛行工況的氣動載荷數據, 將此載荷施加在改進后的整流罩上即可校核其強度[15]。經仿真驗證, 開槽后的頭帽滿足最惡劣飛行工況的強度要求, 并且有較大的安全余量。

將開槽后整流罩用于最安全入水工況分析, 結果見圖10。

圖10 整流罩開槽后最安全入水工況15 ms時仿真結果

Fig.10 Simulation result of grooved fairing with safest water-entry condition in 15 ms

可以看出, 對整流罩開槽取得了明顯的效果, 裂紋沿著軸向開槽路徑順利擴展到后端, 整個整流罩已經四分五裂, 頭帽完全可以解體。

3.3 摩擦力影響分析

分析第2種導致整流罩破裂的因素。要增強雷體擠壓頭帽效果, 可增大入水沖擊階段雷體與整流罩的相對位移, 從而使擋塊沿徑向擴張位移更大, 更容易撐破整流罩。同等沖擊力做功情況下, 減小雷體與頭帽間的摩擦力會增大位移, 在模型中設置不同的摩擦系數可研究這一規律。

雷體與頭帽摩擦有2個部位, 一是雷頭鋁合金與頭帽彈簧片的摩擦, 另一部位是雷頭橡膠層與頭帽擋塊的摩擦。由于此處鋁和鋼之間摩擦系數較小, 且彈簧片起的作用是箍緊頭帽, 必須保持一定摩擦才能達到穩固要求, 因此, 改變橡膠層與擋塊間摩擦是較合理途徑。

將橡膠層與擋塊之間摩擦系數由原來的0.5變為0, 在最安全入水工況下進行仿真分析。仿真結果如圖11, 對比圖5, 頭帽整流罩失效面積明顯擴大。

圖11 橡膠層與擋塊之間減小摩擦后最安全入水工況15 ms時仿真結果

Fig.11 Simulation result of rubber layer and baffle- plate with safest water-entry condition in 15 ms after friction reduction

分析擋塊沿雷體徑向位移(雷軸沿方向, 徑向位移可用,方向位移表示), 可以確定減小摩擦后擋塊向外擴張程度是否增大。表3為減小摩擦前后擋塊徑向最大位移量, 其中max為最大絕對位移。

表3 橡膠層與擋塊之間減小摩擦前后擋塊位移量對比

顯然, 減小摩擦后擋塊的徑向位移整體增大, 即在整個環線上擋塊都向外擴張, 增大了其對整流罩的徑向膨脹力, 使得整流罩更容易破裂。這點也可從整流罩仿真結果(圖11)中得到驗證。

工程中, 考慮到雷頭橡膠材料不能改變, 且橡膠質軟, 其他物體與橡膠滑動接觸易產生較大摩擦, 因此可改變擋塊結構, 減小其與橡膠層接觸面積, 或將滑動摩擦改為滾動摩擦, 從而大幅減小摩擦系數。

綜上, 對整流罩開槽削弱、減小雷體與頭帽組件之間摩擦力, 都可以使頭帽入水更容易破裂, 同時使用2種方法改進頭帽, 可達到更理想的入水效果。

4 結論

本文建立了魚雷入水緩沖頭帽有限元模型, 基于此模型和試驗數據對不同入水工況下頭帽性能進行了仿真, 結論為:

1) 尖拱形頭帽在60°到90°不同姿態入水時, 入水角度越小、速度越大, 整流罩失效區域越大, 頭帽越容易破裂, 最小速度垂直入水是頭帽最安全入水工況, 此時頭帽最難破裂;

2) 雷體與頭帽組件之間摩擦力越小, 頭帽越容易破裂;

3) 削弱整流罩強度、減小雷體與頭帽組件之間的摩擦力, 可增大水體對頭帽的沖擊破壞效果。

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Water-Entry Impact Performance of Torpedo′s Cushion Nose Cap

XU Xin-dong1,2, LI Jian-chen1,2, CAO Xiao-juan1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To solve the problems that theoretical analysis of water-entry impact process of torpedo′s cushion nose cap is difficult and strength design boundary of the nose cap is not easy to be determined, webuild a finite element model of the nose cap water-entry with the software ABAQUS, and analyze the stress distribution of the nose cap assembly during water-entry impact process. The conclusion is drawn that vertical water-entry with minimum velocity is the most safe condition for the nose cap. Taking this condition as the upper limit of the nose cap strength design, key factors that may induce nose cap crack are analyzed. Accordingly, two methods to make the nose cap easy to crack after water-entry are offered, i.e. weakening the strength of the fairing and reducing the friction between the nose cap assembly and torpedo. Simulation results show that combination of two methods can achieve perfect nose cap water-entry.

torpedo; cushion nose cap; water-entry impact; finite element model

TJ630.2

A

1673-1948(2012)03-0161-05

2012-03-01;

2012-03-21.

徐新棟(1984-), 男, 碩士, 研究方向為武器系統總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)