水下爆炸载荷作用下MK46鱼雷结构动态响应分析

王 军, 孙 丰, 陈 舸, 祝祥刚



水下爆炸载荷作用下MK46鱼雷结构动态响应分析

王 军, 孙 丰, 陈 舸, 祝祥刚

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨, 150001)

通过对美国MK46鱼雷进行数值仿真, 设置不同的工况, 应用ABAQUS中的声固耦合算法对鱼雷在水下爆炸冲击波作用下的动态响应及其冲击环境进行仿真计算, 分析了鱼雷在不同工况下的毁伤效果, 以及不同部位各节点的加速度响应及冲击环境。有限元计算结果表明: MK46鱼雷首部为薄弱部分, 首部加强筋首先失效破坏, 当壳体冲击因子为1.33时鱼雷壳体发生破损; 迎爆面和背爆面节点加速度响应有较大区别, 通过节点的冲击谱参数可对鱼雷内部设备的抗冲击性能进行分析。本文结果可对相关鱼雷的毁伤效果分析及结构设计提供参考。

水下爆炸; MK46鱼雷; 动态响应; 冲击环境

0 引言

鱼雷是一种自动推进, 并按预定的航向和深度航行, 或自动导向目标, 命中目标时能自动爆炸, 用以打击目标水下部位的水中兵器[1]。鱼雷具有进攻性强、隐蔽性好及破坏威力大等优点而在海战中广泛应用。其中MK46鱼雷是美国生产的轻型鱼雷, 可下潜800 m, 是世界上产量最多、库存数目最大的反潜鱼雷。研究MK46鱼雷在水下爆炸载荷作用下的动态响应对鱼雷结构设计及水中鱼雷拦截等方面具有重要意义。

关于MK46鱼雷在水下爆炸环境中的动态响应研究成果不多[2-3], 鱼雷内部动力推进系统及指导系统等设备的冲击环境更没有进行过系统的研究[4-5], 现开展的工作大多为舰船或潜艇在水下爆炸载荷作用下的动态响应及鱼雷结构优化设计[6], 但并未考虑鱼雷各部分之间的楔环连接结构。针对这一现状, 本文对MK46鱼雷进行数值仿真, 建立楔环连接结构, 通过ABAQUS有限元软件分析鱼雷在水下爆炸载荷作用下的动态响应及冲击环境。

1 计算模型及工况设置

1.1 MK46有限元模型

MK46鱼雷重258 kg, 弹长2.59 m, 直径324 mm,分为自导头段、战雷段、燃料舱段和后段4部分, 如图1所示。按照鱼雷具体尺寸建立有限元模型(见图2), 为模拟不同部分舱室设备等质量对鱼雷水下爆炸响应的影响, 根据鱼雷各段质量分布在鱼雷有限元模型上添加质量点, 使其质量分布与实际鱼雷结构接近。考虑鱼雷和海水的耦合, 在鱼雷周围建立流场, 如图3所示。

图1 MK46鱼雷

图2 鱼雷结构有限元模型

图3 外部流场有限元模型

为较真实地模拟鱼雷结构, 在建模中还考虑到舱段间的楔环连接结构。鱼雷产品舱段间的连接必不可少, 楔环连接作为一种应用非常广泛的连接方式, 可保证连接部位外表面的光顺性, 并可减少鱼雷的形状阻力和噪声并便于拆装, 因而具有明显优势。楔环连接结构的具体形式见图4。

图4 楔环连接示意图

鱼雷壳体楔环连接处的几何形状较为复杂, 在建立有限元模型时需对楔环连接的几何模型进行必要的改造。如图5所示, 通过去除楔环连接几何模型中的倒角﹑圆角及安装密封圈的环槽, 可得到用于有限元分析的楔环连接模型。

图5 楔环连接结构的有限元模型

1.2 工况设置

炸药位于鱼雷侧面中部, 即坐标系中的轴负向, 如图6所示。

图6 炸药位置

数值仿真计算中采用TNT炸药, 药包由远及近, 各工况设置见表1。为简洁描述鱼雷结构的冲击环境, 在此采用壳体冲击因子来综合考虑药量和爆距对鱼雷水下爆炸冲击响应的影响

式中：是TNT炸药的重量, kg;为爆距, m。

表1 工况设置

2 数值计算结果与分析

2.1 MK46鱼雷动态响应

鱼雷壳体材料为铝合金, 屈服应力为311 MPa, 失效应变取为0.24。工况1鱼雷的Mises应力及等效塑性应变见图7~图8, 最大应力为377 MPa, 发生在鱼雷首部, 超过材料的屈服应力, 出现塑性变形, 最大塑性变形为0.07, 远小于材料的失效应变, 因此工况1时鱼雷并未发生损坏, 只有首部出现轻微塑性变形。

图7 工况1鱼雷Mises应力云图

图8 工况1鱼雷等效塑性应变云图

工况1~工况5鱼雷壳体的最大等效塑性应变及发生部位如表2所示, 所有工况鱼雷首部的塑性变形最大, 即MK46鱼雷首部为薄弱环节。工况1~工况4壳体的最大等效塑性应变均小于铝合金的失效应变, 鱼雷均未发生破坏。

其中工况4时, 鱼雷壳体的等效塑性虽未达到材料的失效应变(见图9）, 但鱼雷内部的加强筋等效塑性应变较大, 超过材料失效应变(见图10), 首部加强筋塑性变形较大, 失去进一步承载能力。因此, 当冲击因子更大的工况5时, 鱼雷首部壳体最大等效塑性应变为0.25, 超过铝合金失效应变, 可认为在1.33壳体冲击因子下, MK46鱼雷发生破坏, 首部出现破口, 丧失作战能力, 如图11所示。

表2 不同工况鱼雷壳体最大等效塑性应变

图9 工况4鱼雷壳体等效塑性应变云图

图10 工况4鱼雷加强筋等效塑性应变云图

图11 工况5鱼雷等效塑性应变云图

为研究鱼雷在水下爆炸冲击波作用下的动态响应, 分别在鱼雷迎爆面和背爆面取3个节点进行分析, 迎爆面所取节点为,,, 背爆面节点为,,, 分别对应鱼雷的尾、中、首部, 具体位置如图12所示。

图12 鱼雷a至f点位置示意图

以工况1为例, 不同节点加速度时历响应曲线如图13所示, 加速度响应在初始时刻瞬间达到最大, 然后逐渐衰减, 迎爆面节点的加速度响应峰值相对于背爆面更大, 除尾部(a)和(d)节点, 背爆面的加速度响应衰减速度更快, 这是迎爆面直接受冲击波作用的结果。背爆面对应的节点在加速度衰减后又出现了小幅的跃升, 且加速度波动长时间维持在一个稳定的范围内, 这是由于冲击波作用于鱼雷迎爆面产生应力波, 应力波传递到背爆面和绕射之后的冲击波联合作用的结果。

图13 工况1各节点加速度响应

通过对比鱼雷首、中及尾部节点加速度响应曲线, 各位置都呈现出高频多峰的现象, 中部节点由于距炸药距离最小, 较首尾节点响应峰值更大, 而且波形也较为陡峭, 从而得出随节点到爆心距离的减小, 其响应幅值也就越小的结论。对于鱼雷尾部节点(a)和(d), 其响应规律与首部和中部不同, 可能由于雷鳍的存在使冲击波的传播及结构响应发生变化, 从而不符合一般水下爆炸响应规律, 导致背爆面节点的加速度响应衰减减缓。

由图13(b)可以看出, 鱼雷中部迎爆面(b)处的加速度峰值为3.2×104g, 这与冲击因子为0.5时的试验数据3×104g较为一致, 相对误差较小, 也验证了本文计算结果的正确性。

2.2 MK46鱼雷冲击环境

结合结构动力学分析, 引入描述待考察设备冲击环境的冲击谱概念。冲击谱是冲击响应谱的简称, 是假想安装在该设备的同一基础上, 经受同样的瞬态基础冲击运动的一系列不同固有频率的无质量线性振子的最大响应幅值与其固有频率的关系曲线, 也就是说是一组理想单自由度振子对其基础运动的最大响应随振子频率变化的图谱。谱值包括相对位移、相对速度和绝对加速度。在舰船设备的冲击响应分析计算中, 常用4D坐标描述冲击谱, 其中以速度谱作为纵坐标, 频率作为横坐标,与横坐标成+45˚和-45˚的坐标系, 分别表示相对位移谱和加速度谱[7]。

工况1~工况4虽然壳体未发生损坏, 但在水下爆炸冲击波作用下鱼雷内部设备可能受到较大影响。在对设备的抗冲击性能进行考核时采用对设备要求较为严格的德军标BV043/85, 对小于5t的设备抗冲击要求的冲击环境为: 谱速度4.3 cm、谱速度7 m/s及谱加速度320 g。工况4迎爆面中部节点(b)的冲击环境与规范的比较如图14所示, 黑色粗线条表示鱼雷的冲击环境, 虽然谱速度并未达到规范要求的设备抗冲击考核标准, 但谱位移和谱加速度均超过规范要求, 此时鱼雷内部设备可能已经发生损坏, 从而导致鱼雷失去攻击能力。

图14 工况4鱼雷b点冲击环境

表3 鱼雷各节点不同工况下的冲击环境

各工况下鱼雷迎爆面节点的冲击谱参数比背爆面略大, 这与迎爆面受到冲击波作用较强有关。迎爆面谱加速度增大较为明显, 距离爆点更近的中部节点较其他节点冲击环境也较为恶劣, 同时在同一工况下, 各个节点的冲击环境基本在同一水平, 波动幅度不是很大。

从工况1到工况4, 随爆距的减小, 冲击谱参数逐渐增大, 即鱼雷的冲击环境逐渐变的恶劣。谱速度和谱加速度逐渐增大, 而谱位移从工况3开始增加已不是很明显, 同时所有工况的谱速度均未达到BV规范要求, 因此可认为MK46鱼雷在承受小于0.67冲击因子的水下爆炸时, 都不会发生损坏。但从工况3开始, 鱼雷各位置的谱位移和谱加速度基本都比规范要求大, 鱼雷内部设备会受到较大影响, 此时对鱼雷的毁伤需针对鱼雷内部的具体设备进行分析。

3 结论

通过对MK46鱼雷进行水下爆炸数值仿真, 分析其在冲击波作用下的动态响应及冲击环境, 可得出如下结论。

1) 不同工况下鱼雷首部为薄弱环节, 塑性变形最大,且首部加强筋比壳体首先达到失效应变, 当壳体冲击因子达到1.33时鱼雷破损, 失去攻击能力。

2) 在水下爆炸载荷作用下, 鱼雷节点加速度响应呈现出高频多峰的非线性现象, 迎爆面加速度响应幅值更大, 背爆面加速度响应衰减较快, 且距爆点最近的中部节点加速度时历曲线比首尾节点波形陡峭, 峰值更大。

3) 鱼雷壳体并未发生损坏的工况3和工况4, 谱位移和谱加速度比德国BV043/85规范要求的设备冲击谱参数大, 此时设备可能发生损坏, 需针对鱼雷具体设备进行分析, 同时冲击因子越大, 鱼雷的冲击环境越恶劣, 迎爆面的冲击谱参数比背爆面略大。

[1] 刘锐, 鲁忠宝, 王明洲. 反鱼雷鱼雷战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤效应仿真[J]. 鱼雷技术, 2012, 20(5): 375-379.Liu Rui, Lu Zhong-bao, Wang Ming-zhou, et al. Simulation of Explosive Damage Effect of ATT Warhead on Incoming Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(5): 375-379.

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[7] 汪玉, 华宏星. 舰船现代冲击理论及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 41-45.

Structural Dynamic Response Analysis of MK46 Torpedo under Underwater Explosion Load

WANG Jun, SUN Feng, CHEN Ge, ZHU Xiang-gang

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

American MK46 torpedo is numerically simulated in different conditions. The dynamic response and shock environment of MK46 torpedo subjected to underwater explosion is calculated through acoustic coupling algorithm of ABAQUS. The torpedo damage effect is analyzed in different conditions, as well as the acceleration response and the shock environment of each node in different part. Finite element calculation results show that the head of MK46 torpedo is the weak part, and the stiffeners are destroyed firstly. The damage to the torpedo shell occurs when the impact factor is 1.33. There is a clear difference of node acceleration response between the surface facing blast and the surface back to blast, and the impact resistance of the torpedo internal equipment can be analyzed with the spectral parameters of nodes. The study may provide a reference for damage effect analysis and structure design of this kind of torpedoes.

underwater explosion; MK46 torpedo; dynamic response; shock environment

TJ630.1

A

1673-1948(2013)04-0293-06

2013-03-11;

2013-05-30.

国家安全重大基础研究项目(613157), 国家自然科学基金项目(51279038).

王 军(1989-), 男, 在读博士, 主要研究方向为结构动力学.

(责任编辑: 杨力军)