基于CEL算法全雷入水冲击建模与仿真

王 升, 郭 君, 赵 琪, 卞敏华, 田树红

基于CEL算法全雷入水冲击建模与仿真

王 升, 郭 君, 赵 琪, 卞敏华, 田树红

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

为解决鱼雷入水冲击计算时全雷强度的仿真分析不准确问题, 采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法进行了全雷入水冲击计算, 并依据试验进行模型修正。为提高计算结果的准确性, 将材料的线性强化弹塑性本构引入计算模型, 并考虑鱼雷各舱段壳体连接结构的连接特性。文中通过对全雷入水冲击计算模型和仿真方法进行研究, 得到以下结论: 对于连接结构的处理, 应充分考虑其连接特性, 合理简化连接结构; 楔环结构的2个楔环带具有缓冲减振作用。文中研究为助飞鱼雷和空投鱼雷的入水方案提供了依据, 为鱼雷和楔环连接体的入水分析提供了参考。

鱼雷; 入水冲击; 耦合欧拉-拉格朗日方法; 楔环连接

0 引言

空投鱼雷和助飞鱼雷存在着严酷的入水冲击力学环境: 鱼雷在入水过程中可以分为撞水阶段、侵水阶段、带空泡航行阶段、全侵湿阶段, 撞水阶段和侵水阶段, 鱼雷需承受着较大击水力和侵水阻力[1], 这对鱼雷的头段强度、壳体强度和连接结构的强度要求很高, 决定了其极限入水条件。而极限入水条件是空投附件的设计基础, 同时也是全雷入水方案的参考依据。在全雷的方案设计阶段, 只能依靠工程师经验以及仿真计算来得到入水条件。目前, 鱼雷入水冲击计算模型均过于简化, 计算结果误差较大, 无法指导工程设计。对于空投鱼雷和助飞鱼雷的设计而言, 迫切需要准确的入水冲击仿真计算, 为此展开了全雷冲击计算的建模与仿真方法的研究。

目前国内对于全雷入水冲击中结构强度校核的计算分析研究较少。王永虎等[2]进行了空投鱼雷斜入水冲击动力建模及仿真分析, 采用精确形体法分析计算入水冲击负荷。徐新栋等[3]进行鱼雷缓冲头帽入水冲击性能研究, 分析了不同入水角度与摩擦力对头帽入水的影响。张岳青等[4]进行了结构物入水冲击表面压力的模型研究及应用, 分析了不同质量、不同结构物形状对入水冲击表面压力的影响。李成进等[5]开展了高速入水弹体结构冲击仿真研究, 未考虑连接结构, 对弹体进行了高速入水的研究。

文中以楔环连接的轻型鱼雷为研究对象, 结合空投鱼雷试验, 采用耦合欧拉-拉格朗日(cou- pled Eulerian-Lagrangian, CEL)算法, 进行全雷的建模以及冲击入水仿真。通过对楔环连接结构的合理简化建模, 引入材料的线性强化弹塑性本构, 提高了全雷入水冲击仿真计算结果的准确性。

1 CEL算法

CEL算法有效结合了拉格朗日和欧拉算法。在解决结构体入水冲击问题时, 采用拉格朗日法划分结构网格, 采用欧拉法划分水域网格, 采用有限差分法求解带有移动边界的二维流体动力学问题, 能很好地解决复杂流-固耦合问题和大变形问题[6]。

拉格朗日法是一种离散化数值求解方法,在拉格朗日法求解过程中, 材料附着在单元网格上, 随着材料的流动会产生网格的运动和变形, 计算过程中单元发生变形但单元的质量不变。

对上式积分即可获得结构单元节点的运动速度和位移等。

在欧拉法中网格是固定的, 材料的运输在欧拉网格之间进行。在网格中材料的流动轨迹计算通过各个单元中的欧拉体积分数(Eulerian volume fraction, EVF)得到。

在欧拉求解器中, 流体的流动采用连续质量运输方法在固定的欧拉网格间进行运输, 由欧拉连续方程可得到欧拉网格的密度和变形速率, 并重新计算网格内质量、动量和能量等物理量。

材料能量方程为

式中:,,为坐标;,,,,和分别为流体介质的密度、径向速度、轴向速度、垂向速度、内能和压力。根据材料的状态方程和能量方程计算单元的压力、应力和能量。

在耦合算法计算的2种网格之间不需要有公用的单元节点或单元面, 2个求解器通过耦合面相互作用。拉格朗日单元的耦合面固定在网格上, 从耦合面上接受欧拉材料给予的压力载荷; 欧拉单元的耦合面在欧拉网格中随时间变化, 需要在每一个时间步内利用有限体积法确定耦合边界的位置, 在耦合面上接受拉格朗日单元施加一个几何约束。

在Abaqus软件中, 欧拉体和拉格朗日体间的接触约束可通过通用接触描述。这种通用接触算法自动计算并追踪拉格朗日体和欧拉体间的接触面, 使得拉格朗日体占据欧拉网格内部的空白区域, 确保2种物质永远不会在物理空间中重合。

2 模型简化及有限元建模

2.1 全雷模型简化

鱼雷由各个舱段连接组成, 内部结构复杂, 组件众多。在进行有限元仿真计算时, 首先对全雷的结构进行简化处理, 删除全雷各舱段的内部组件以及局部孔、槽等不影响整体结构的特征, 保留各舱段的舱段壳体以及燃料舱隔板、动力舱段中的发动机支撑, 将楔环连接结构的2个楔环带看作一个整体, 全雷由6个舱段和5个楔环连接结构组成。图1为楔环连接结构的真实截面图, 图2为简化后的楔环结构。

图1 楔环结构图

图2 楔环连接结构简化图

2.2 入水冲击模型前处理

将简化模型导入到Hypermesh中进行单元划分, 全雷主体结构采用hex六面体单元, 局部采用penta6五面体单元, 总计32.64万个。全雷单元模型见图3, 单元质量检查良好。为了确保仿真模型与原模型的物理参数一致, 各舱段的内部组件采用质量单元代替, 确保各舱段的重心与质量一致, 雷内组件质量单元的耦合见图4。所有结构的材料为铝合金, 设置为线弹性本构。在Hypermesh中进行abaqus分析模型的前处理工作, 建立质量单元, 并通过运动耦合约束将质量单元耦合在相应壳体上。简化后全雷结构的质量和、、轴向上重心位置与真实值得误差分别为1.25%、0.54%、0.02%和0.01%, 确保了仿真模型物理参数的真实性。

图3 全雷单元模型

图4 雷内组件质量单元耦合

2.3 入水冲击分析建模

将网格模型导入到ABAQUS中, 采用显式动力学分析功能, 采用CEL方法进行全雷入水冲击计算。

在Abaqus软件中建立水域模型, 水域尺寸为1 600 mm×1 600 mm×1 400 mm(长×宽×高), 如图5所示, 水域分为两部分, 上层为空气, 下层为水体。设置水域模型的网格划分单元尺寸为25, 水域模型的单元数为22万个, 整个计算模型的单元数为54.64万个。

图5 水域模型

计算工况如下: 入水角度为60°, 入水速度为49 m/s, 攻角为0。入水冲击计算模型见图6。

图6 入水冲击模型(空气部分隐藏)

采用通用接触, 设置接触属性为法向可分离, 接触面的切向上摩擦系数取0.12, 计算0.015 s内雷体入水冲击过程的结构应力情况。

2.4 入水冲击计算结果分析

计算完成后, 进入Abaqus可视化模块可查看全雷入水冲击的计算结果, 如图7所示。图8为雷体的半剖应力云图。

雷体应力在0.15 s时刻达到最大(应力云图展示的均是0.15 s时刻的应力情况), 雷体的最大应力值达到了2 260 MPa, 通过查看局部结构的应力, 发现鱼雷壳体绝大部分应力值不超过100 MPa,但是楔环连接部分应力值过大, 集中在楔环带以及舱段壳体两端的阴头、阳头处, 其中楔环3以及舱段3壳体的右端连接处应力相比其他结构处更大, 如图9和图10所示(楔环以及舱段壳体的应力云图均为楔环3以及舱段3的计算结果), 楔环应力最大值达到1977 MPa, 舱段壳体的阴阳头处最大应力达到1178 MPa, 通过设置铝合金材料的强度极限350 MPa, 发现失效面积区域过大, 明显强度不够。

图7 鱼雷入水计算结果

图8 雷体应力云图

图9 楔环应力云图

图10 舱段壳体应力云图

3 计算模型优化

3.1 与试验情况比较

在进行雷体入水冲击试验时, 控制雷体的入水角度与入水速度分别为60°和49 m/s, 试验时通过内测系统记录试验参数, 记录的入水角度与速度的变化曲线如图11和图12所示, 其中0时刻为入水的状态, 入水条件与仿真计算工况一致。

图11 入水角随时间变化曲线

图12 雷体轴向速度随时间变化曲线

在进行入水试验结束后, 对雷体进行探伤检查, 发现壳体以及楔环连接部位均未发生损坏, 说明雷体强度满足入水条件, 雷体的入水冲击仿真计算结果明显不准确。

3.2 建模与仿真优化

考虑到仿真计算结果的应力值远大于铝合金材料的屈服极限, 引入铝合金材料的线性强化弹塑性本构, 如图13所示。

图13 铝合金线性强化弹塑性本构

其余采用同样的计算参数设置, 计算得到的雷体应力云图如图14所示, 楔环以及最大应力舱段壳体的应力云图见图15和图16。

图14 引入线性强化弹塑性本构后雷体应力云图

图15 引入线性强化弹塑性本构后楔环应力云图

图16 引入线性强化弹塑性本构后舱段壳体应力云图

由图发现, 楔环以及连接部分仍然存在小片的结构失效区域, 计算得到的结果虽然有所改善, 但是仍然表现为强度不足。考虑到将2个楔环带合并为一个整体可加强连接部位, 因而保留2个独立的楔环带进行计算分析。2个楔环带的模型如图17和图18所示。

图17 2个楔环带模型

图18 2个楔环带模型截面

同样设置铝合金材料为线性强化塑性本构, 且楔环连接结构保留2个楔环带, 其他参数设置一致, 进行入水冲击计算。计算得到的雷体应力云图如图19~图22所示。

图19 优化后雷体应力云图

图20 优化后楔环带Ⅰ应力云图

图21 优化后楔环带Ⅱ应力云图

图22 优化后舱段壳体应力云图

由计算结果可知, 除了应力集中点, 楔环连接部分以及舱段壳体均未出现应力失效区域, 根据撞击压缩水面的撞击压力公式

估算出雷头压力峰值为65.72 MPa[7], 提取仿真计算的雷头压力曲线, 如图23所示。由图可以看出最大压力为53 MPa, 较理论值略低, 但误差不大, 说明了本次计算结果的准确性。从计算结果看, 认为雷体及楔环连接处的强度足够大, 与试验结果一致, 说明2种处理方法是有效的。

图23 雷头压力曲线

4 结论

基于CEL算法进行全雷入水冲击计算, 并结合入水试验, 优化了建模过程以及仿真方法, 使得冲击计算结果更加准确, 并得到以下结论。

1) 冲击仿真计算中, 楔环连接机构不宜简化为整环结构, 保留2个楔环带结构, 虽然增加了计算成本, 但能保证计算结果更加准确。

2) 楔环连接结构中的2个楔环带具有缓冲减振作用。

3) 在进行全雷的入水冲击计算时, 可以采用文中分析方法确定鱼雷的入水方案。

文中引入材料的弹塑性本构, 合理处理楔环结构的计算模型, 正确设置计算参数, 与试验结果进行定性分析, 使得仿真计算结果更加准确, 为鱼雷的入水方案设计提供了参考。后期可通过更多的试验数据来优化计算模型, 并进行关键组件安装位置的冲击载荷分析。

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Modeling and Simulation Analysis of Torpedo’s Water-Entry Impact Based on CEL Algorithm

WANG Sheng, GUO Jun, ZHAO Qi, BIAN Min-hua, TIAN Shu-hong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To improve the accuracy of the strength simulation of overall torpedo in the torpedo’s water-entry impact calculation, the coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) algorithm is used, and the calculation model is modified via experiment. The linear reinforced elastic-plastic constitutive model of the material is introduced into the model in order to improve the accuracy of calculation results. The connection characteristics of the connecting structure of torpedo cabin shells are considered to guarantee simulation accuracy. Conclusions are drawn that the connection characteristics should be fully considered in treatment of the connecting structure and the connecting structure should be rationally simplified, and the two wedge-ring bands of the wedge-ring structure have the functions of buffering and vibration reduction. This study may be helpful for the designs of water-entry schemes of rocket-assisted torpedo and air-dropped torpedo, and may provide a reference for the analyses of torpedo water-entry impact and wedge-ring connecting structure.

torpedo; water-entry impact; coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) algorithm; wedge-ring connection

TJ630.1; TB115

A

2096-3920(2020)01-0075-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.011

王升, 郭君, 赵琪, 等. 基于CEL算法全雷入水冲击建模与仿真[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(1): 75-80.

2019-05-28;

2019-06-26.

王 升(1992-), 男, 硕士, 主要研究方向为模态测试与仿真、减振降噪和结构设计.

(责任编辑: 许 妍)