基于靜力試驗的魚雷殼體模態計算模型修正

王 升, 尹韶平, 郭 君, 王 中, 張志民

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基于靜力試驗的魚雷殼體模態計算模型修正

王 升1,2, 尹韶平1, 郭 君1, 王 中1,2, 張志民1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安 , 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710077)

為建立一種簡單而又適用的魚雷殼體楔環連接結構模態計算分析模型, 將楔環連接的魚雷殼體簡化為2個殼體以及1個環形圈連接的有限元模型, 其中包含7對接觸面以及1個接觸剛度參數。通過魚雷殼體的靜力加載試驗以及靜力仿真對比, 辨識出模型中的接觸剛度參數。對修正后的有限元模型進行模態仿真計算, 仿真模態頻率與試驗模態頻率誤差不大于2.65%, 結果表明了該模態計算方法的準確性。可為魚雷殼體等含楔環連接結構的有限元建模與模態分析提供借鑒。

魚雷殼體; 楔環連接結構; 模態仿真; 模型修正

0 引言

魚雷殼體聲輻射對魚雷的綜合作戰效能影響重大, 對魚雷的攻擊隱蔽性、線導導引有效性、自導性能及發射平臺的安全性均有重要影響[1]。魚雷殼體的聲輻射研究中最主要的一環是全雷模態計算, 在魚雷復雜的力學環境影響下, 全雷模態計算不準確會導致不可意料的共振現象發生, 共振往往會引起較大振動能級的全雷振動噪聲, 甚至造成結構破壞或者設備元件的損壞[2]。

在對魚雷做模態仿真計算時, 受楔環連接結構復雜的靜動力學特性影響, 不能準確地建立有限元分析模型, 會使得仿真計算結果誤差較大, 這種誤差會造成很多不可避免的損失與危險。如何方便、準確地對魚雷殼體連接結構進行簡化處理, 如何正確地設置有限元模型的參數, 將直接影響到魚雷模態仿真的準確性。

國內學者針對不同的研究內容, 采取的楔環連接結構模型的簡化方式以及楔環連接結構的仿真計算方法大不相同。黃鵬等[3]在楔環連接結構2種有限元優化設計方案研究中, 建立楔環連接結構的參數化有限元模型, 以結構最大應力比為目標函數, 對楔環徑向和軸向尺寸進行優化仿真設計。王路等[4]在workbench響應譜分析的魚雷振動傳遞優化中, 基于結構參數化等效模型, 進行優化計算, 降低結構振動傳遞響應。馬銳磊等[5]在魚雷楔環連接結構等效剛度建模與模態分析中, 采用了等效彈性模量法對魚雷楔環連接結構進行仿真計算。嚴海等[6]在模態參數的水下航行器楔環結構有限元模型修正中, 基于固有頻率和模態振型等模態參數修正有限元模型。趙榮國[7]在楔環連接結構靜力接觸行為與動力學特性研究中, 將楔環連接結構簡化處理后, 調整接觸面積以及接觸罰剛度系數修正有限元模型。

文中通過楔環連接殼體的靜力加載試驗以及靜力仿真, 對楔環連接結構有限元模型進行修正, 采用修正后的有限元模型進行魚雷殼體的模態仿真計算, 并與修正前模型計算結果進行比較, 結果表明了該計算方法的準確性。

1 模態理論

多自由度一般粘性阻尼結構系統動力學微分方程[8]為

設式(2)的特解為

將式(3)代入式(2), 得

2 魚雷殼體建模

2.1 楔環連接結構模型簡化

取研究對象為楔環連接的2段魚雷殼體, 材料為鋁合金。其中, 楔環連接部分由上殼體、2個楔環帶、下殼體、密封圈、填片和蓋板等組成。楔環結構的接觸面對較多, 有諸多肋骨、槽、孔、倒角和圓角等特征, 不便于有限元網格的劃分, 且計算耗時, 容易造成仿真計算不收斂。因此, 有必要對楔環結構的有限元模型進行簡化處理, 簡化了如小孔、槽、倒角及圓角等一些不影響整體結構響應的特征。由于2個楔環帶滿足自鎖條件, 可視為一個整體, 且不關心2個楔環帶之間的受力狀況, 所以將2個楔環帶看做1個環形圈, 方便建模, 簡化后的模型物理參數如表1所示。

表1 模型物理參數

由表1可以看出, 簡化后的模型與實際結構主要參數相差不大, 簡化模型可用于仿真分析, 確保仿真結果具有較高的可信度。

2.2 基于Hypermesh的有限元模型網格劃分

采用UG建立魚雷殼體幾何模型后, 在Hypermesh中進行網格劃分[9], 大部分采用hex六面體單元, 局部采用penta6五面體單元。共計48 860個單元, 其中楔環有6 000個網格, 艙段殼體1有30 480個網格, 艙段殼體2有12 380個網格, 網格質量檢查良好。有限元模型如圖1所示, 局部接觸部分網格如圖2所示。

2.3 有限元模型設置

將網格模型導入Workbench中, 建立有限元仿真模型[10]。

接觸面和目標面的選擇一般有如下原則:

1) 根據接觸面材料屬性選擇, 材料較軟的應當選為目標面, 材料硬的選為接觸面;

2) 接觸面的網格一般比目標面網格細密;

3) 劃分了低階單元的表面應為目標面;

4) 表面較大的應為目標面;

5) 應該選取平面或凹面為目標面。

依據以上原則, 共設置了7對接觸面, 如圖2所示, 分別為楔環與魚雷艙段殼體1之間的2對接觸面, 即為圖中編號①、②部分, 其中楔環為接觸體, 艙段殼體1為目標體; 楔環與魚雷艙段殼體2之間的2對接觸面, 即圖中編號③、④部分, 其中楔環為接觸體, 艙段殼體2為目標體; 魚雷艙段殼體1與魚雷艙段殼體2之間的3對接觸面, 即圖中編號⑤、⑥、⑦部分, 其中艙段殼體1為接觸體, 艙段殼體2為目標體。接觸面與目標面采用綁定方式, 非對稱接觸行為, 采用pure penalty接觸算法, 通過高斯點(Gauss point)探測接觸狀態, 罰剛度系數為待修正參數, 其余保留默認設置, 至此完成魚雷連接殼體有限元仿真模型的建立。

3 魚雷艙段殼體靜力加載試驗

3.1 靜力加載試驗

通過靜力加載試驗, 測試楔環連接結構在外載下測點的位移量, 用于修正有限元仿真模型。

如圖3所示, 本次試驗試件為楔環連接的2段魚雷艙段殼體, 試驗工裝有殼體緊固工裝、轉接工裝、位移補償工裝以及加載工裝, 其中位移補償工裝固定在緊固工裝上, 用于補償試驗中工裝位移變形而引起的試件位移變形量。試驗機為電子萬能試驗機。

試件上的測點布局如圖4所示, 測點A、B、C位于試件側面, 距離右端面距離依次為100 mm, 200 mm, 400 mm。

載荷加載方式為1 mm/min的等速位移加載, 每個載荷步保載30 s, 記錄每個載荷下所有測點的位移。載荷步如下: 600 N→1200 N→1800 N→2400 N→3000 N→3600 N→4200 N→4800 N→5400 N→6000 N→6600N→7200 N→7800 N→8400 N。

3.2 靜力加載試驗結果

將萬能實驗機的端力值和位移值清零, 百分表調零后開始試驗, 試驗現場如圖5所示。

測點A、B和C的位移測量值如表2所示。

表2 測點位移值

4 魚雷艙段殼體有限元模型修正

4.1 靜力試驗仿真

采用Hypermesh建立包含工裝夾具的魚雷艙段殼體有限元模型, 其中魚雷艙段殼體模型的網格劃分與2.2節相同, 殼體模型與緊固工裝、加載工裝共劃分有65 687個單元。將模型導入workbench中進行仿真計算, 魚雷殼體的有限元模型設置同2.3節, 殼體與緊固工裝、殼體與加載工裝的接觸部分均采用綁定方式, 并保留默認設置。楔環連接的2段殼體以及緊固工裝材料為鋁合金材料, 加載工裝材料為結構鋼, 靜力仿真有限元模型如圖6所示。

約束緊固工裝下端面的全部自由度, 在加載工裝上施加8400 N的力載荷, 方向豎直向下。計算結構的整體變形。整體變形如圖7所示, 圖中(a)圖為前視圖; (b)圖為俯視圖; (c)圖為右視圖。由圖可知, 試件的右端發生橢圓形形變, 造成試件的底端發生局部向上彎曲。

4.2 試驗結果與分析

采用測點A、B、C的數據修正楔環接觸結構接觸面的罰剛度系數, 進行仿真計算。經過多次試算, 取罰剛度系數=0.000 08時, 測點A、B、C的仿真結果與試驗結果的比較如表3所示, 與試驗數據擬合較好, 擬合曲線如圖8所示。

圖8可知, 當載荷力大于3600 N(認為此時魚雷殼體連接結構接觸狀態趨于穩定)時, 誤差均小于20%, 測點A、B、C的仿真數據與試驗數據擬合得很好, 即罰剛度系數=0.000 08時的面接觸剛度與楔環連接剛度接近, 可用于有限元模型的模態仿真計算。

表3 仿真結果與試驗結果比較

5 魚雷艙段殼體模態計算

初步仿真計算時, 罰剛度系數值采用默認設置, 即=1。計算分析得前6階模態頻率, 與試驗模態頻率的比較如表4所示。

表4 模型修正前仿真計算結果

由表4可知, 仿真結果與試驗結果誤差較大, 須對有限元模型進行修正, 采用靜力仿真得到的罰剛度系數FKN=0.000 08再次進行模態計算, 得到的結果與試驗模態頻率的比較如表5所示, 仿真模態振型如圖9所示。由表5可知, 仿真結果與試驗結果的誤差均不大于2.65%, 遠好于修正前模型計算結果。由圖9可知, 仿真振型與試驗振型一致, 表明基于靜力試驗修正后的有限元模型能夠更準確地對魚雷殼體進行模態仿真計算。

表5 模型修正后仿真計算結果

6 結束語

文中建立了一種只有7對接觸面的魚雷艙段殼體有限元模型, 基于魚雷殼體靜力加載試驗結果, 修正楔環連接的有限元模型, 并用于模態仿真計算。修正后模態頻率結果與試驗模態頻率誤差不大于2.65%, 準確度較高。為魚雷的模態仿真計算提供了一種方便、適用、準確的模型簡化方式以及有限元模型修正方法。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[2] 尹韶平. 魚雷減振降噪技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2016.

[3] 黃鵬, 尹益輝, 莫軍. 楔環連接結構兩種有限元優化設計方案研究[J]. 機械工程學報, 2006, 42(8): 205-209.Huang Peng, Yin Yi-hui, Mo Jun. Two Optimization Designs Research of Wedge-Ring Joint Structure Based on FEM[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(8): 205-209.

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[9] 彭妍, 婁一青, 汪亞超, 等. 基于HyperMesh軟件的復雜結構有限元建模[J]. 水電能源科學, 2010, 28(8): 100-105.Peng Yan, Lou Yi-qing, Wang Ya-chao, et al. Finite Element Model of Complex Structure Based on Hypermesh Software[J]. Water Resources and Power. 2010, 28(8): 100-105.

[10] Gu R J, Murty P, Zheng Q. Use of Penalty Variable in Finite Element Analysis of Contacting Objects[J]. Compu- ters & Structures, 2002, 80(31): 2449-2459.

(責任編輯: 陳 曦)

Correction of Modal Calculation Model for Torpedo Shell Based on Static Test

WANG Sheng1,2, YIN Shao-ping1, GUO Jun1, WANG Zhong1,2, ZHANG Zhi-min1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710077, China)

The torpedo shell joined with wedge-ring connection is simplified as two shells and one annular ring. This simple structure is modeled to build a simple, applicative finite element analysis model, which contains seven contact surfaces and a parameter of contact stiffness coefficient. Static loading test and static simulation analysis are conducted to identify the contact stiffness of the model. The modal of the modified model is calculated via simulation, and the relative error of the modal frequency between simulation and modal test is not more than 2.65%, verifying the accuracy of the proposed modal simulation method. This study may provide a reference for finite element modeling and modal simulation of the structures with wedge-ring connection, such as torpedo shell.

torpedo shell; structure with wedge-ring connection; modal simulation; model correction

王升,尹韶平,郭君,等. 基于靜力試驗的魚雷殼體模態計算模型修正[J].水下無人系統學報, 2018, 26(3): 247-252.

TJ630.3; TP391.9

A

2096-3920(2018)03-0247-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.010

2017-08-29;

2017-11-02.

王 升(1992-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷總體技術.