自航式实体模拟目标受鱼雷撞击冲击力计算仿真

谢志强，向小梅

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

0 引 言

自航式实体模拟目标与潜艇外形相似，能满足鱼雷对体目标识别所需的外形尺寸大小，具有潜艇声、磁目标特性和机动特性，能够对新型鱼雷垂直面命中精度、鱼雷触发引信和非触发引信动作、攻击体目标时的脱靶量这3项重要战技指标进行考核，能够实现对鱼雷全系统、全链路、全性能进行综合考核，对于考核鱼雷的技战术性能具有重要意义

自航式实体模拟目标的建设是一项十分复杂的系统工程，实施难度大，安全性设计方面要求很高，尤其是在试验实施过程中，鱼雷将直接撞击实体模拟目标，必须要在总体设计时加以充分论证，进行可靠的安全防护设计，以保证实体模拟目标以及鱼雷的安全。本文采用Abaqus/Explicit求解器，根据某重型鱼雷、自航式实体模拟目标几何模型以及材料参数，进行有限元分析，对水下鱼雷撞击实体模拟目标所受冲击力进行仿真计算，获取鱼雷在不同角度冲击情况下实体模拟目标的动态响应，为自航式实体模拟目标的总体设计提供理论基础，为实体模拟目标的安全防护设计提供理论支撑。

1 仿真建模

1.1 自航式实体模拟目标几何模型及材料参数

自航式实体模拟目标外形上模拟现役常规潜艇形状，设计为细长筒体双层结构，总长30 m，外层壳体直径4.0 m，内层壳体直径3.0 m，模拟目标外层与内层通过筋板联接，双层之间可透水，外层壳体厚5 mm，内层壳体厚13 mm，中间筋板厚5 mm，材料为AH32船用钢，密度为7 850.0 kg/m3，弹性模量为205.8 GPa，屈服强度315 MPa。自航式实体模拟目标三维示意图如图1所示。

1.2 鱼雷几何模型及材料参数

图 1 自航式实体模拟目标三维示意图Fig. 1 The diagrammatic sketch of the self-propelled entity target

鱼雷采用某重型电动力鱼雷模型，鱼雷模型分为橡胶头部、壳体和环向加强筋3部分，雷头长300.0 mm，顶部截面直径260.0 mm。壳体直径524.0 mm，厚5.0 mm。壳体部分的加强筋为矩形截面，宽10 mm，高12 mm。雷头采用硫化橡胶材料，密度为1 068.0 kg/m3，壳体为铝合金，密度为2 700.0 kg/m3，弹性模量71.6 GPa，屈服强度167.0 MPa。鱼雷几何模型如图2所示。

图 2 鱼雷几何模型Fig. 2 The diagrammatic sketch of the torpedo

2 附加质量计算

本文研究的撞击冲击力计算实际为水下冲击，将水下流体环境效应以附加质量的形式附于雷体和自航式实体模拟目标上。自航式实体模拟目标和雷体的附加质量可以通过FLuent软件进行计算。

自航式实体模拟目标附加质量计算的网格划分结果如图3所示，雷体附加质量计算的网格划分结果如图4所示。其中，两者均以浮心为坐标原点，轴向和横向分别为1轴和2轴。自航式实体模拟目标计算获取的附加质量矩阵（单位kg）为：

鱼雷计算获取的附加质量矩阵（单位kg）为：

图 3 实体模拟目标附加质量计算网格划分示意图Fig. 3 The mesh model of the additional mass calculation of the self-propelled entity target

图 4 鱼雷附加质量计算网格划分示意图Fig. 4 The mesh model of the additional mass calculation of the torpedo

3 冲击有限元计算

3.1 网格划分

1）雷体

壳体采用壳单元，雷头采用正六面体实体单元，加强筋采用梁单元。雷体整体网格、橡胶雷头网格、加强筋与壳体网格如图5所示。

2）模拟目标

模拟目标壳体及环向筋板均采用壳单元，与雷体发生冲击的区域进行网格加密。模拟目标整体网格划分以及加密区域网格如图6所示。本文撞击角度定义为实体模拟目标接触面法向与鱼雷速度方向的夹角。

3.2 质量分布

1）自重

鱼雷1.27 t，实体模拟目标300 t。模拟目标和鱼雷的自重分别通过质量点的形式均布于壳体上。

2）流体附加质量

图 5 鱼雷网格划分Fig. 5 The mesh model of the torpedo

图 6 不同角度撞击时的鱼雷和目标网格划分结果Fig. 6 The mesh model of torpedo and target in the different impact angle

采用Fluent软件计算实体模拟目标和鱼雷的附加质量。鱼雷沿轴向运动，轴向加速度效应明显，因此考虑其轴向附加质量，本文取23.40 kg。由于冲击过程中实体模拟目标所受冲击作用力主要沿实体模拟目标横向，即实体模拟目标横向可能存在加速度响应。因此考虑模拟目标横向附加质量，本文取560.465×103 kg。

3.3 边界条件

1）雷体冲击速度

雷体冲击速度为25 m/s。

2）模拟目标运动速度

实际模拟目标速度为6 kn（轴向），由于冲击方向为其横向，因此可近似认为静止状态。

4 计算结果分析

4.1 接触力

根据撞击位置位于筋板正上方和偏离筋板2种情况，针对每个冲击角度下的计算工况分别进行计算，撞击位置位于筋板正上方的正撞击力时程曲线如图7所示，撞击位置偏离筋板的正撞击力时程曲线如图8所示。冲击过程中，由于橡胶雷头发生的压缩变形过大，甚至陷入雷体壳体中，导致发生了金属壳体与模拟目标的二次撞击。因次，对应的法向接触力时程曲线出现2个明显的峰值。

图 7 撞击位置位于筋板正上方的正撞击力时程曲线Fig. 7 Normal contact force time history of impacting above plate

图 8 撞击位置偏离筋板的正撞击力时程曲线Fig. 8 Normal contact force time history of impacting deviate plate

撞击位置偏离筋板正上方时，0°角撞击时目标法向接触力峰值最大，随着冲击角度的增大，该接触力峰值逐渐减小。撞击位置位于筋板正上方时，与偏离筋板正上方结果类似，也是0°角撞击时实体模拟目标法向接触力峰值最大。并且，随着冲击角度的增大，实体模拟目标接触面法向接触力峰值逐渐减小。30°和45°撞击条件下，撞击于筋板正上方的法向接触力峰值均大于偏离筋板正上方的结果值。但是，60°冲击条件下，由于倾斜角度过大，冲击过程中鱼雷偏转效应更加明显，导致撞击于筋板正上方的法向接触力峰值小于偏离筋板正上方的结果值。

4.2 变形

模拟目标撞击中心位置沿其接触面法向的位移时程曲线如图9所示。不同角度撞击条件下，法向位移首先随着时间的增加逐渐增大，然后降低（对应回弹过程），最后保持稳定。最后的法向位移稳定值即为实体模拟目标发生的永久变形（塑性变形），对应成坑损伤。相同角度冲击条件下，撞击于筋板正上方时实体模拟目标发生的永久变形明显低于撞击位置偏离筋板正上方的变形结果。这也表明了筋板的抵抗变形作用。另一方面，随着冲击角度的增大，实体模拟目标撞击中心位置发生的永久变形逐渐减小。这与实体模拟目标接触面法向接触力峰值随冲击角度的变化规律一致。

图 9 目标撞击中心位置法向位移时程曲线Fig. 9 Displacement time history of impact centre

采用矩形区域近似描述实体模拟目标发生变形的面积，即成坑区域面积，如图10所示。测量获取的变形面积特征参数列于表1，偏离筋板撞击条件下，正撞击时船体发生成坑变形的面积最大，达到7.5 m×2.3 m。撞击于筋板正上方条件下，也是正撞击时船体发生成坑变形的面积最大，达到7.6 m×2.0 m。

图 10 目标永久变形区域矩形近似测量示意图Fig. 10 The diagrammatic sketch of permanent deformation of target

表 1 鱼雷撞击目标有限元分析结果特征参数表Tab. 1 The characteristic parameter of finite element analysis when torpedo impact the target

4.3 塑性应变

鱼雷撞击目标有限元分析结果特征参数汇总如表1所示。撞击位置偏离筋板正上方时，目标最大等效塑性应变值随着撞击角度的增加逐渐降低。如图11所示为0°撞击偏离筋板正上方时目标最大等效塑性应变所在位置图。这也表明正撞击条件下目标发生的损伤最严重，此时目标最大等效塑性应变值为0.16，并且位于筋板与目标内部壳体连接的部位。

图 11 0°撞击偏离筋板正上方时目标最大等效塑性应变所在位置Fig. 11 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact above plate in 0°

撞击位置位于筋板正上方时，正撞击条件下目标等效塑性最大值明显大于其他斜撞击条件下的结果。如图12所示为0°撞击于筋板正上方时目标最大等效塑性应变所在位置图。此时，最大等效塑性应变值达0.53，但位于筋板上。说明由于此时筋板发生明显的压曲变形，导致筋板上等效塑性应变明显大于其他部位，实属正常现象。60°撞击于筋板正上方时的等效塑性应变结果与正撞击结果类似，也是筋板压屈变形明显，导致筋板上局部塑形应变过大。

图 12 0°撞击于筋板正上方时目标最大等效塑性应变所在位置Fig. 12 The location of maximum equivalent plastic strain of target when impact deviate plate in 0°

5 结 语

本文采用有限元分析法，对大型鱼雷操雷以50 kn的速度从不同方向撞击实体靶目标所受冲击力进行仿真计算，得出了鱼雷从不同方向撞击自航式实体模拟目标的撞击力，并从自航式实体模拟目标的变形以及塑性应变出发，得出了在此种工况下受鱼雷撞击的自航式实体模拟目标内层密封腔不破损的结论，为自航式实体模拟目标的安全防护设计打下坚实理论基础。