摘要：高速摄像机水下拍摄气泡脉动图像时需要安装在防护结构中以保证其抗爆性能满足试验要求。文中首先基于流体力学理论设计摄像机水下防护结构外部线型,然后利用声固耦合法计算了考核工况为60kg*NTT**当量、冲击因子0.5时的冲击响应,并结合实际使用对其抗爆性能进行仿真验证。结果表明:防护结构流体力学上稳定且无振动产生,抗爆设计满足摄像机安全防护要求,可用于中小当量*药炸**气泡脉动图像的拍摄。该方法可推广应用于其它水下结构抗爆抗冲击性能设计。
关键词： 抗冲击 数值仿真 水下爆炸 *药炸**气泡脉动图像 爆炸力学 高速摄像机
*药炸**水下爆炸会产生冲击波和气泡脉动,其中气泡脉动对水下目标造成鞭状振荡效应和水射流,严重时会引起船体折断。随着水中兵器装药的不断改进和发展,气泡能占*药炸**水下爆炸总能量的比例越来越高,相关研究越来越受到重视[1,2,3]。利用高速摄影技术获得*药炸**水下爆炸气泡脉动过程的直观图像是开展此方面研究的重要方法[4,5]。高速摄像机放置在水下进行气泡图像拍摄时需要安装在防护结构中,以保证摄像机这种精密电子设备的安全性[6]。为了节省设计成本,国内外通常采用数值仿真手段对水下结构进行抗水下爆炸设计[7,8,9,10]。文中首先采用流体力学理论设计了防护结构外部线型,再利用声固耦合法对设计的防护结构进行抗爆性能仿真计算,结果表明冲击响应满足摄像机安全防护使用要求,验证了设计的合理性。
1、防护结构外部线型设计
高速摄像机防护结构在使用时与爆源布放在水下同一深度,在爆炸冲击波和气泡脉动流场作用下防护结构主要产生水平方向的运动,容易引起流场中的“涡街”现象,进而使防护结构产生体振动和不稳定,因此需要对外部线型进行设计。采用流体力学理论设计摄像机防护结构外部线型。中间主体部分为圆柱型壳体采用14mm厚907A不锈钢[11],前端为摄像机视窗采用25mm厚的防弹玻璃,视窗与圆柱壳体连接处为弧线形,尾部为锥形,利于流体导流。圆柱壳体与尾锥之间为后端盖,用于电缆穿舱,减振器安装、摄像机支架固定及结构内部防护等。图1为设计的水下防护结构在流场中的速度矢量图,可以看出防护结构在气泡膨胀阶段周围流场分布上下对称,在“尾部”形成小强度“驻涡”,未形成“涡街”,在流体力学上稳定,无振动产生。
图1防护结构速度矢量图
2、声固耦合法
声固耦合法采用声学单元模拟流体,声学单元与结构单元之间定义基于面的流固耦合,此方法不要求流体网格和结构网格一致。压力波反射引起的散射波分量和流固耦合分量对冲击响应计算有很大影响[12]。流固耦合通过指定流体和结构分界面节点分别作为主节点和从节点进行设置,从面通过主面形状函数插值来获得作用力。声学单元被用来模拟声学介质经历小的压力变化,在声学介质中的解由单一的压力变量定义,表示吸收表面或辐射到外部无限域的阻抗边界条件都可以施加到声学单元表面上面[13]。
引入边界条件后声学流体方程可写为:
式中:p为流体动压力,V为体积,x为流体质点的空间位置,uf、u˙f和u¨f分别为流体节点的位移、速度和加速度,ρf为流体密度,γ为流体的体积阻力,θi为与流体相关的变量,Kf为流体的体积模量,S为体积Vf的边界,1k1和1c1为边界参数,n-表示边界的内法向方向。
由虚功原理定义的结构方程为:
式中:σ为结构应力张量,ps为作用于结构湿表面的压力,n为结构表面的外法向方向,ρs为结构材料密度,αc为质量阻尼因子,u¨m为结构节点的加速度,t为作用于结构湿表面的阻力。
公式(1)和(2)是关于耦合变量um和p的变分方程。引入以下插值函数,流场内p=Hppp,p=1,2,…直到流体的节点数;结构内um=NNuN,n=1,2…直到结构的节点数。从而δp=HPδpp,δum=NPδuN,上标Q、P表示流体的压力自由度,M、N表示结构的位移自由度,可得到以下离散的流固耦合方程:
式中:
式中:PN为应变转换张量,βN:σ为张量的二次缩并,SPMfs和SQNfs分别为作用于流体和结构的耦合项。
3、仿真计算
3.1仿真模型
防护结构有限元模型如图2所示,中间圆柱形主体部分和尾椎部分采用四边形壳单元(S4R)模拟,所用钢材料的屈服强度为410MPa,出现明显塑性变形值取0.08[11];柱体与尾椎之间的螺栓连接简化为面面(Surface-to-Surface)接触;玻璃观察视窗由于为脆性材料,简化为刚体;流体采用六面体声学单元(AC3D8R)模拟。结构湿表面与流体干表面之间的网格不一致,采用Tie约束建立两者之间的声固耦合约束,流体域由一个圆柱体和两个半球体组成,半径为结构半宽的6倍,以减小流体惯性质量的影响,外边界添加无反射边界条件。计算采用总波公式,声学介质表现为非线性,在冲击波加载时更接近于结构载荷,此时声学介质边界指定为加载面,在声学介质中产生与声学总压力相等的响应。
图2有限元模型
为了校核仿真模型能够正确计算,需要对防护结构模型进行模态分析,得到结构模型的模态振型,如图3所示为结构的一阶振型,可以看出结构没有异常变形,验证了建模的正确性。
图3一阶模态图
3.2考核工况
根据防护结构极限使用要求,结构强度应满足60kg*NTT**当量,冲击因子0.5时摄像机安全,冲击因子定义为C=W−−√/R,式中W为*药炸***NTT**当量(kg),R为*药炸**与结构的最短距离。据此设计考核工况为*药炸**位于首端面纵向15.5m处爆炸,此时冲击波峰值压力约11.48MPa。冲击波载荷计算采用GeersandHunter半经验半解析公式[14],冲击波加载的压力云图如图4所示。
图4冲击波载荷压力云图
3.3结果分析
防护结构1ms和5ms时刻的vonMises应力云图如图5所示，可以看出结构总体应力低于材料屈服强度，最大应力出现在尾椎的端盖处，约为181.3MPa。最危险处的应力时程曲线和等效塑性应变曲线如图6和图7所示，最大塑性应变约为128με，不会产生明显的塑性变形，对结构强度没有影响。该结构在实爆试验[15]中的可靠应用也进一步验证了结果的合理性。
图5防护结构应力云图
图6最危险处应力时程曲线
图7最危险处等效塑性应变时程曲线
4、结论
文中用流体力学理论和声固耦合法研究了高速摄像机水下防护结构的外部线型设计和抗爆性能仿真,得到如下结论:
1)采用此外部线型的防护结构流场分布未形成“涡街”,在流体力学上稳定;
2)防护结构抗爆设计满足考核工况下摄像机安全防护要求,可以用于60kg以下*NTT**当量*药炸**气泡脉动图像的拍摄;
3)仿真方法结合实际试验验证可有效应用于水下结构抗爆设计,节省试验周期、降低试验风险。