自航式實體模擬目標受魚雷撞擊沖擊力計算仿真

謝志強，向小梅

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引 言

自航式實體模擬目標與潛艇外形相似，能滿足魚雷對體目標識別所需的外形尺寸大小，具有潛艇聲、磁目標特性和機動特性，能夠對新型魚雷垂直面命中精度、魚雷觸發引信和非觸發引信動作、攻擊體目標時的脫靶量這3項重要戰技指標進行考核，能夠實現對魚雷全系統、全鏈路、全性能進行綜合考核，對于考核魚雷的技戰術性能具有重要意義

自航式實體模擬目標的建設是一項十分復雜的系統工程，實施難度大，安全性設計方面要求很高，尤其是在試驗實施過程中，魚雷將直接撞擊實體模擬目標，必須要在總體設計時加以充分論證，進行可靠的安全防護設計，以保證實體模擬目標以及魚雷的安全。本文采用Abaqus/Explicit求解器，根據某重型魚雷、自航式實體模擬目標幾何模型以及材料參數，進行有限元分析，對水下魚雷撞擊實體模擬目標所受沖擊力進行仿真計算，獲取魚雷在不同角度沖擊情況下實體模擬目標的動態響應，為自航式實體模擬目標的總體設計提供理論基礎，為實體模擬目標的安全防護設計提供理論支撐。

1 仿真建模

1.1 自航式實體模擬目標幾何模型及材料參數

自航式實體模擬目標外形上模擬現役常規潛艇形狀，設計為細長筒體雙層結構，總長30 m，外層殼體直徑4.0 m，內層殼體直徑3.0 m，模擬目標外層與內層通過筋板聯接，雙層之間可透水，外層殼體厚5 mm，內層殼體厚13 mm，中間筋板厚5 mm，材料為AH32船用鋼，密度為7 850.0 kg/m3，彈性模量為205.8 GPa，屈服強度315 MPa。自航式實體模擬目標三維示意圖如圖1所示。

1.2 魚雷幾何模型及材料參數

圖 1 自航式實體模擬目標三維示意圖Fig. 1 The diagrammatic sketch of the self-propelled entity target

魚雷采用某重型電動力魚雷模型，魚雷模型分為橡膠頭部、殼體和環向加強筋3部分，雷頭長300.0 mm，頂部截面直徑260.0 mm。殼體直徑524.0 mm，厚5.0 mm。殼體部分的加強筋為矩形截面，寬10 mm，高12 mm。雷頭采用硫化橡膠材料，密度為1 068.0 kg/m3，殼體為鋁合金，密度為2 700.0 kg/m3，彈性模量71.6 GPa，屈服強度167.0 MPa。魚雷幾何模型如圖2所示。

圖 2 魚雷幾何模型Fig. 2 The diagrammatic sketch of the torpedo

2 附加質量計算

本文研究的撞擊沖擊力計算實際為水下沖擊，將水下流體環境效應以附加質量的形式附于雷體和自航式實體模擬目標上。自航式實體模擬目標和雷體的附加質量可以通過FLuent軟件進行計算。

自航式實體模擬目標附加質量計算的網格劃分結果如圖3所示，雷體附加質量計算的網格劃分結果如圖4所示。其中，兩者均以浮心為坐標原點，軸向和橫向分別為1軸和2軸。自航式實體模擬目標計算獲取的附加質量矩陣（單位kg）為：

魚雷計算獲取的附加質量矩陣（單位kg）為：

圖 3 實體模擬目標附加質量計算網格劃分示意圖Fig. 3 The mesh model of the additional mass calculation of the self-propelled entity target

圖 4 魚雷附加質量計算網格劃分示意圖Fig. 4 The mesh model of the additional mass calculation of the torpedo

3 沖擊有限元計算

3.1 網格劃分

1）雷體

殼體采用殼單元，雷頭采用正六面體實體單元，加強筋采用梁單元。雷體整體網格、橡膠雷頭網格、加強筋與殼體網格如圖5所示。

2）模擬目標

模擬目標殼體及環向筋板均采用殼單元，與雷體發生沖擊的區域進行網格加密。模擬目標整體網格劃分以及加密區域網格如圖6所示。本文撞擊角度定義為實體模擬目標接觸面法向與魚雷速度方向的夾角。

3.2 質量分布

1）自重

魚雷1.27 t，實體模擬目標300 t。模擬目標和魚雷的自重分別通過質量點的形式均布于殼體上。

2）流體附加質量

圖 5 魚雷網格劃分Fig. 5 The mesh model of the torpedo

圖 6 不同角度撞擊時的魚雷和目標網格劃分結果Fig. 6 The mesh model of torpedo and target in the different impact angle

采用Fluent軟件計算實體模擬目標和魚雷的附加質量。魚雷沿軸向運動，軸向加速度效應明顯，因此考慮其軸向附加質量，本文取23.40 kg。由于沖擊過程中實體模擬目標所受沖擊作用力主要沿實體模擬目標橫向，即實體模擬目標橫向可能存在加速度響應。因此考慮模擬目標橫向附加質量，本文取560.465×103 kg。

3.3 邊界條件

1）雷體沖擊速度

雷體沖擊速度為25 m/s。

2）模擬目標運動速度

實際模擬目標速度為6 kn（軸向），由于沖擊方向為其橫向，因此可近似認為靜止狀態。

4 計算結果分析

4.1 接觸力

根據撞擊位置位于筋板正上方和偏離筋板2種情況，針對每個沖擊角度下的計算工況分別進行計算，撞擊位置位于筋板正上方的正撞擊力時程曲線如圖7所示，撞擊位置偏離筋板的正撞擊力時程曲線如圖8所示。沖擊過程中，由于橡膠雷頭發生的壓縮變形過大，甚至陷入雷體殼體中，導致發生了金屬殼體與模擬目標的二次撞擊。因次，對應的法向接觸力時程曲線出現2個明顯的峰值。

圖 7 撞擊位置位于筋板正上方的正撞擊力時程曲線Fig. 7 Normal contact force time history of impacting above plate

圖 8 撞擊位置偏離筋板的正撞擊力時程曲線Fig. 8 Normal contact force time history of impacting deviate plate

撞擊位置偏離筋板正上方時，0°角撞擊時目標法向接觸力峰值最大，隨著沖擊角度的增大，該接觸力峰值逐漸減小。撞擊位置位于筋板正上方時，與偏離筋板正上方結果類似，也是0°角撞擊時實體模擬目標法向接觸力峰值最大。并且，隨著沖擊角度的增大，實體模擬目標接觸面法向接觸力峰值逐漸減小。30°和45°撞擊條件下，撞擊于筋板正上方的法向接觸力峰值均大于偏離筋板正上方的結果值。但是，60°沖擊條件下，由于傾斜角度過大，沖擊過程中魚雷偏轉效應更加明顯，導致撞擊于筋板正上方的法向接觸力峰值小于偏離筋板正上方的結果值。

4.2 變形

模擬目標撞擊中心位置沿其接觸面法向的位移時程曲線如圖9所示。不同角度撞擊條件下，法向位移首先隨著時間的增加逐漸增大，然后降低（對應回彈過程），最后保持穩定。最后的法向位移穩定值即為實體模擬目標發生的永久變形（塑性變形），對應成坑損傷。相同角度沖擊條件下，撞擊于筋板正上方時實體模擬目標發生的永久變形明顯低于撞擊位置偏離筋板正上方的變形結果。這也表明了筋板的抵抗變形作用。另一方面，隨著沖擊角度的增大，實體模擬目標撞擊中心位置發生的永久變形逐漸減小。這與實體模擬目標接觸面法向接觸力峰值隨沖擊角度的變化規律一致。

圖 9 目標撞擊中心位置法向位移時程曲線Fig. 9 Displacement time history of impact centre

采用矩形區域近似描述實體模擬目標發生變形的面積，即成坑區域面積，如圖10所示。測量獲取的變形面積特征參數列于表1，偏離筋板撞擊條件下，正撞擊時船體發生成坑變形的面積最大，達到7.5 m×2.3 m。撞擊于筋板正上方條件下，也是正撞擊時船體發生成坑變形的面積最大，達到7.6 m×2.0 m。

圖 10 目標永久變形區域矩形近似測量示意圖Fig. 10 The diagrammatic sketch of permanent deformation of target

表 1 魚雷撞擊目標有限元分析結果特征參數表Tab. 1 The characteristic parameter of finite element analysis when torpedo impact the target

4.3 塑性應變

魚雷撞擊目標有限元分析結果特征參數匯總如表1所示。撞擊位置偏離筋板正上方時，目標最大等效塑性應變值隨著撞擊角度的增加逐漸降低。如圖11所示為0°撞擊偏離筋板正上方時目標最大等效塑性應變所在位置圖。這也表明正撞擊條件下目標發生的損傷最嚴重，此時目標最大等效塑性應變值為0.16，并且位于筋板與目標內部殼體連接的部位。

圖 11 0°撞擊偏離筋板正上方時目標最大等效塑性應變所在位置Fig. 11 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact above plate in 0°

撞擊位置位于筋板正上方時，正撞擊條件下目標等效塑性最大值明顯大于其他斜撞擊條件下的結果。如圖12所示為0°撞擊于筋板正上方時目標最大等效塑性應變所在位置圖。此時，最大等效塑性應變值達0.53，但位于筋板上。說明由于此時筋板發生明顯的壓曲變形，導致筋板上等效塑性應變明顯大于其他部位，實屬正常現象。60°撞擊于筋板正上方時的等效塑性應變結果與正撞擊結果類似，也是筋板壓屈變形明顯，導致筋板上局部塑形應變過大。

圖 12 0°撞擊于筋板正上方時目標最大等效塑性應變所在位置Fig. 12 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact deviate plate in 0°

5 結 語

本文采用有限元分析法，對大型魚雷操雷以50 kn的速度從不同方向撞擊實體靶目標所受沖擊力進行仿真計算，得出了魚雷從不同方向撞擊自航式實體模擬目標的撞擊力，并從自航式實體模擬目標的變形以及塑性應變出發，得出了在此種工況下受魚雷撞擊的自航式實體模擬目標內層密封腔不破損的結論，為自航式實體模擬目標的安全防護設計打下堅實理論基礎。