雷-靶碰撞結構動態響應試驗與仿真分析

李靜肖，陳彥勇，張 濤，許 達

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部，云南 昆明 650118)

0 引 言

隨著魚雷技術的不斷發展，技術先進程度越來越高，反潛訓練對靶標的使用要求也不斷提高。魚雷撞擊目標靶時，雷頭引信部位加速度需達到一定幅值及脈寬才能使觸發引信動作[1-2]，因此靶體結構剛度是否滿足觸發引信動作要求是靶體結構設計中的一項關鍵內容。目前對于水下碰撞問題的研究主要是采用數值仿真法，數值仿真方法可較為全面地模擬和再現整個碰撞歷程，但由于雷-靶碰撞是一復雜的多學科綜合性課題，碰撞過程中涉及大量非線性綜合問題，同時鑒于靶體結構的特殊性，碰撞過程中許多細節難以通過數值仿真計算手段進行研究。因此為了獲得到直觀可靠的碰撞數據，同時驗證所用仿真分析方法的準確性，繼而指導靶體結構設計，進行相關試驗研究必不可少。

本文擬通過靶體典型結構陸上臺架碰撞試驗，對不同撞擊工況下的靶體碰撞特性進行研究，首先基于非線性有限元技術，利用商業有限元軟件Ls-dyna對2種典型試驗工況進行預測，然后開展試驗，對多工況下雷頭撞擊靶板進行研究，分析不同撞擊參數對靶板變形模式及動態響應的影響，并將仿真結果與試驗進行對比，驗證所用仿真方法的準確性，為后續的靶體設計提供參考。

1 靶板典型結構碰撞仿真預測

為了更好地研究碰撞過程中的動態響應，本文利用Ls-dyna軟件對2種試驗工況（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）進行數值仿真，通過對靶板結構響應及撞頭加速度響應進行分析，深入探討雷靶碰撞特性，同時將仿真與試驗結果進行對比，驗證所用仿真方法的準確性。

1.1 有限元模型

1.1.1 撞頭模型

撞頭中前部模型根據魚雷相關資料建立，考慮到碰撞過程中撞頭后部不參與撞擊，將其簡化為一實體，通過調整密度使撞頭整體質量與全雷相同。撞頭采用六面體實體單元模擬，為提高計算精度，對撞頭前端主要撞擊區域網格進行加密。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性各向同性硬化彈塑性材料模型模擬，后端配重區域為剛體材料。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

靶板尺寸與試驗所用靶板尺寸相同，在靶板下方設有限位框，使其安裝方式與試驗條件相同。靶板材料采用各向同性、分段線性硬化彈塑性材料模型模擬，限位框架采用剛體材料進行模擬。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

為保證仿真與試驗條件相吻合，約束撞頭水平方向運動，使其只做垂向運動，同時約束撞頭3個方向的轉動。

根據試驗中靶板的安裝與約束情況，仿真中對靶板四周通過設定多個約束將靶板定位在限位框上，約束布置位置與試驗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 計算相關參數設定

1.2.1 材料失效條件

撞頭撞擊到靶板時，靶板以及周邊約束會因為產生大變形而出現斷裂及失效。本文仿真中為準確預報結構的斷裂及失效，考慮了材料的應變率效應，引入了最大應變失效準則[3 – 4]。該準則中當靶體碰撞區域某個單元的等效塑性應變達到最大塑性失效應變時該單元失效，不再具有強度，不參與后面的計算。根據相關文獻，靶板失效參數取 0.35，約束部位取0.7[5 – 6]。

1.2.2 接觸與摩擦

在動態接觸問題中，不同構件之間的相對運動引起的接觸與摩擦是2個關鍵問題[7 – 8]。根據相關文獻，本文采用Ls-dyna自帶的基于主-從面的動態接觸算法計算碰撞過程中撞頭與靶板的接觸[9]。

碰撞過程中撞頭與靶板的相對滑動會產生摩擦，摩擦力可通過經典庫侖摩擦定理進行計算，摩擦力大小由下式確定[10]：

式中：Ff為摩擦力；為摩擦系數；FN為法向接觸力；摩擦系數由下式確定：

1.3 仿真結果與分析

1.3.1 靶板變形

圖4顯示了1#工況對應仿真所得碰撞過程中靶板的應變情況，仿真結果表明撞頭撞擊后靶板中心出現了明顯的凹陷，同時靶板四周由于約束出現失效，從而出現了繞曲及變形。通過與試驗結果對比發現，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顯示了碰撞過程中靶體應變，碰撞后靶板撞擊區域出現了明顯凹陷，同時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所得結果相吻合。

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顯示了仿真與試驗所得加速度響應時歷曲線。可以看出，在整個碰撞過程中加速度變化趨勢基本一致，同時加速度峰值也處于同一數值水平。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束后不再發生變化，而試驗中由于撞頭下落后撞擊到限位塊，碰撞結束后仍會出現一定程度的加速度波動。

圖 6 仿真與試驗所得加速度響應對比Fig. 6 The comparison of acceleration response

通過對試驗與仿真所得結果對比及分析，發現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，同時加速度變化曲線變化趨勢一致，吻合度好，在一定程度上驗證了本文所采用數值仿真方法的適用性及準確性。

2 靶體典型結構碰撞試驗

2.1 試驗模型

為了研究靶板在雷頭撞擊下的破壞形式，同時檢驗靶體結構剛度是否能滿足魚雷觸發引信動作條件，本試驗選取靶體環肋間隔最大處蒙皮作為典型區域，并根據靶上實際安裝形式對蒙皮進行約束，開展典型區域碰撞試驗。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M6高強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（以實測厚度為準）。撞頭尺寸與魚雷雷頭相同，撞頭后部通過增加配重塊使撞頭質量與全雷質量相同。

2.2 試驗原理

試驗開始前將靶板對中安裝至沖擊塔軌道下方底座上，并將撞頭對心，將撞頭沿軌道提升至指定高度h，通過電磁開關控制撞頭沿軌道做自由落體運動。撞頭撞擊靶板時的初速度，此速度通過置于軌道上的光電門進行測量，撞擊過程中撞頭引信部位的加速度通過加速度傳感器測量。試驗工況如表1所示。

表 1 試驗工況Tab. 1 Experiment condition

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 不同撞擊速度下靶板變形及加速度響應

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。可以看出，撞擊后，靶板呈現不同程度的整體繞曲及凹陷，靶板中心局部區域變形形狀與撞頭形狀相符，靶板在變形過程中邊界上的螺釘出現了失效。

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，靶板大部分區域與固定框架脫離，靶板整體向內部凹陷。

圖8顯示了上述不同撞擊速度下撞頭監測點部位加速度響應。可以看出，碰撞過程中加速度變化呈現很強的非線性特征，在不同碰撞時期，加速度出現不同程度的卸載，這表明在碰撞過程中靶板出現不同程度的變形以及四周螺釘的失效。在工況2下，加速度呈現大幅值，長脈寬的“拱形”區域，說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”區域愈發變窄，加速度曲線卸載出現的更加頻繁且明顯，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。上述試驗工況下加速度拱形區域的幅值和脈寬均能包絡魚雷觸發引信動作要求，此厚度靶板及固定方式滿足目標靶剛度要求。

圖 8 不同撞擊速度下撞頭監測點加速度響應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

圖9顯示了10 m高度撞頭下落撞擊不同厚度靶板時靶板變形情況。可以看出，撞頭直接穿透了1.4 mm靶板，同時靶板出現一定程度繞曲和變形，四周邊界上的螺釘未出現明顯失效。撞頭未穿透2.1 mm靶板和3.3 mm靶板，但2種厚度靶板均出現了明顯變形和向內凹陷，且四周螺釘出現了斷裂和失效。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的加速度響應。可以看出，當撞頭撞擊1.4 mm靶板時，加速度出現非常明顯的峰值卸載，這是由于撞頭動能較大，靶板吸能能力以及強度有限，撞頭穿透靶板后撞擊力急劇減小所導致的。隨著靶板厚度的增加，靶板強度增加，加速度出現多次卸載，這是由于靶板部分邊界失效引起的，但并未出現因靶板被穿透而導致的明顯峰值卸載。同時隨著靶板厚度的增加，加速度“拱形”區域出現一定程度的延后。通過對比上述工況加速度曲線，并結合工程需求發現，若采用1.5 m m靶板會導致魚雷撞擊目標靶時加速度脈寬無法滿足觸發引信動作要求，3.0 mm靶板強度雖能滿足撞擊時觸發引信動作要求，但會增加目標靶重量以及生產成本，因此結合上節所得結論，采用2.0 mm靶板作為目標板蒙皮既能滿足觸發引信動作要求，又可節約成本。

3 結 語

本文針對魚雷撞擊目標靶時靶體結構響應以及魚雷加速度響應進行了典型結構陸上臺架試驗以及仿真分析，主要結論如下：

圖 10 撞頭撞擊不同厚度靶板加速度響應時歷曲線Fig. 10 The acceleration response of check point on different target thickness

1）由試驗結果分析可得，靶板在受撞擊后其變形主要表現為靶板中心撞擊區域的凹陷以及約束邊界的繞曲，而靶板出現破壞時呈現為花瓣形破口，破口形狀與撞頭形狀相吻合。同時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，響應更劇烈，符合物理規律。

2）不同板厚對靶板響應也存在一定影響，薄板在高速撞擊下會出現破壞，撞頭穿過靶板，而隨板厚增加靶板變形程度逐漸減小，加速度“拱形”區域出現時間有所延后。對比多工況下試驗結果，并結合工程實際，采用2 mm厚度靶板既能滿足靶體結構剛度設計要求，又能控制靶體重量。

3）通過與試驗結果對比發現，仿真所得靶板變形及加速度響應和試驗結果具有良好的一致性，所采用數值仿真方法適用于該問題的分析，并具有較高準確性。