王万帆, 曲大伟, 白照高



反鱼雷鱼雷战斗部触发灵敏度仿真

王万帆, 曲大伟, 白照高

(海军装备部, 陕西 西安, 710075)

反鱼雷鱼雷(ATT)战斗部触发灵敏度仿真是ATT利用触发引信引爆战斗部的关键技术。本文以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台, 建立了来袭鱼雷和ATT有限元模型, 并对ATT以不同速度、不同角度撞击来袭鱼雷进行了仿真计算, 得到了ATT的触发动态响应特性。该研究可为反鱼雷武器战斗部触发敏感装置的触发灵敏度设计提供参考。

反鱼雷鱼雷; 来袭鱼雷; 触发灵敏度; 触发敏感装置

0 引言

反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)作为一种主动防御武器, 各国海军对其的需求越来越明显[1]。一旦ATT非触发引信失灵, 直接撞击来袭鱼雷时, 必须要求战斗部能够感知撞击时的冲击响应以输出起爆信号, 才能达到对来袭鱼雷毁伤的目的, 这就需要开展ATT以不同姿态、不同速度撞击来袭鱼雷时的动态响应特性研究, 以确定触发敏感装置的触发灵敏度指标, 确保ATT撞击来袭鱼雷时能够及时引爆战斗部[2]。

本文对ATT撞击来袭鱼雷的几种不同工况下的有限元模型进行了计算, 通过对计算结果的分析, 初步得到ATT战斗部触发动态响应特性。

1 有限元模型的建立

根据实际作战情况, ATT以5种速度: 21.6 m/s, 18.5 m/s, 5 m/s, 2 m/s及1 m/s, 3种角度: 45°, 90°及135°撞击来袭鱼雷(见图1), 这里所说的速度和角度都是相对来袭鱼雷而言。

来袭鱼雷的中间舱段是ATT撞击概率较高的部位, 建模时选取来袭鱼雷中间舱段, 两端加配重以满足质量要求; ATT的头部和战雷段是此次仿真考察的重点部位, 建模时选取ATT的前半部分, 后面加配重以满足ATT的质量要求。这样, 使整个模型具有对称性的特点, 对几何模型采用拉格朗日网格, 用3D实体solid 164单元进行划分, 由于是ATT的雷头表面与来袭鱼雷的壳体表面发生接触, 因此这里采用单面自动接触算法[3-4], 其关键字为*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_ SURFACE[5], 在模型对称面施加对称约束, 对ATT施加初速度, 设定求解时间等操作, 建立了ATT战斗部触发灵敏度仿真的有限元计算模型, 如图2所示。

图1 反鱼雷鱼雷(ATT)撞击来袭鱼雷示意图

图2 ATT撞击来袭鱼雷数值仿真模型图

2 计算结果与分析

2.1 撞击应力云图

将生成的K文件导入LS-DYNA求解器中进行求解, 分别得到不同工况下的计算结果。

图3为3种典型工况下ATT撞击来袭鱼雷时典型位置处于某时刻的应力云图。

图3 ATT撞击来袭鱼雷应力云图

2.2 典型点加速度分析

在ATT壳体上沿轴向方向依次取4个典型位置点, 其中A点位于ATT战斗部壳体加强筋上, B点位于ATT战斗部壳体薄壳上, C点位于ATT战斗部较厚壳体上, D点位于安装在ATT战斗部壳体的一个组件上, 并对A, B, C, D这4点受到的冲击碰撞加速度进行考察, 如图4所示。

图4 典型位置点及坐标系

以相对速度为5 m/s为例, 不同角度下, A, B, C, D各点在和方向的加速度随时间的响应曲线如图5。图中由上往下方位角依次为45°, 90°, 135°。可以看出, 当ATT撞击来袭鱼雷时, ATT壳体上的各点所受的冲击加速度会随时间上下振荡, 并随着时间的增加这种振荡会逐渐衰减, 且在同一工况下各点振荡曲线趋势大致相同, 并呈现出近似的半正弦波形, 将各点在向和向加速度绝对值的最大值统计如表1所示。

表1 各点加速度绝对值的最大值

Table 1 Maximal absolute values of acceleration at different points

由表1可知, 当ATT撞击来袭鱼雷时, ATT壳体上的点距离撞击点越近, 所受冲击加速度绝对值的最大值一般也越大(A点在鱼雷壳体的加强筋上, 所受的冲击加速度可能会小一些), 距离撞击点越远, 所受的冲击加速度绝对值的最大值也越小。

2.3 触发灵敏度分析

根据初步的ATT战斗部方案, 触发敏感装置预计将布置在战斗部壳体上一个组件内, 若触发敏感装置布置在D点, 撞击速度分别为2 m/s和5 m/s, D点在方向和方向的加速度随时间的响应曲线分别见图6和图7(方位角度同图5)。

图6 v =2 m/s时D点加速度时间历程曲线

图7 v=5 m/s时D点加速度时间历程曲线

由图6和图7可以看出, ATT在撞击来袭鱼雷时, 预计位置的ATT触发敏感装置上的点的加速度振荡曲线会受撞击速度和撞击角度的影响, 但都会随着时间的增加而逐渐衰减, 且速度越大, 加速度振荡持续时间也越长。

加速度绝对值的最大值统计如表2所示。由表2得, 当ATT以一定角度撞击来袭鱼雷时, ATT的航速越大, 预计位置的ATT触发敏感装置上的点所受到的冲击加速度越大; 当ATT以一定的航速和角度撞击来袭鱼雷时, 预计位置的ATT触发敏感装置上的点在方向上受到的冲击加速度一般比方向上的大。

表3列出了ATT以不同航速撞击来袭鱼雷时预计位置触发敏感装置上的点的加速度绝对值范围和加速度振荡持续时间, 这些数值为ATT触发敏感装置灵敏度设计提供了理论依据。

表2 D点加速度绝对值的最大值

Table 2 Maximal absolute values of acceleration at point D

表3 加速度范围和振荡持续时间

3 结束语

通过对ATT战斗部触发灵敏度的仿真研究, 得出ATT的触发动态响应特性如下。

1) 当ATT撞击来袭鱼雷时, ATT上的点受到冲击的加速度值会随着时间上下振荡, 随着时间的增加, 这种振荡会逐渐衰减直到消失, 各点振荡曲线趋势大致相同, 并呈现出近似的半正弦波形, 离撞击点越近, 所受到的冲击加速度越强烈。

2) 当ATT撞击来袭鱼雷时, ATT上的各点所受的冲击加速度会受到撞击速度和角度的影响, 撞击速度越大, 所受的冲击加速度越大, 加速度振荡持续时间也越长。

ATT以不同航速撞击来袭鱼雷, 当撞击速度在1 ~21.6 m/s之间时, 预计安装位置的触发敏感装置上的点的加速度绝对值范围和加速度振荡持续时间为: 加速度绝对值峰值范围为70~5587 g, 加速度振荡持续时间在5.2 ~29.4ms之间, 该结果为触发敏感装置的触发灵敏度设计提供了参考。若触发敏感装置布置在其他位置, 可以采用同样的方法进行研究。以上结论是在数值仿真基础上得到的, 与真实情况还有一定差距,有待进一步试验验证。

[1] 王新华, 杨迎化, 衡辉, 等. 反鱼雷鱼雷发展现状及作战使用[J]. 飞航导弹, 2012(5): 54-58.

[2] 沈哲, 肖素娟, 南长江, 等. 鱼雷战斗部与引信技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009: 168-170.

[3] 时党勇, 李裕春, 张胜民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[4] ANSYS股份有限公司北京办事处. ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法[M]. 北京: 2000.

[5] 美国ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], 2003.

(责任编辑: 杨力军)

Simulation of Trigger Sensitivity of Anti-Torpedo Torpedo Warhead

WANG Wan-fanQU Da-weiBAI Zhao-gao

(Naval Armament Department, Xi′an 710075, China)

The trigger sensitivity simulation of anti-torpedo torpedo(ATT) warhead is the key technology for an ATT to detonate warhead by triggering fuze. We establish an incoming torpedo model and an ATT model with the finite element analysis(FEA) software ANSYS LS-DYNA, simulate the ATT hitting the incoming torpedo with different speeds and different angles, and obtain the characteristic of dynamic response. This study may benefit the sensitivity design of trigger sensitive device in ATT warhead.

anti-torpedo torpedo; incoming torpedo; trigger sensitivity; trigger sensitive device

TJ431.7

A

1673-1948(2014)05-0361-05

2014-06-02;

2014-07-25.

王万帆(1979-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷总体技术研究.