鱼雷楔环连接结构接触应力数值模拟

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0 案例背景

鱼雷产品不可避免要进行分段，那么舱段间连接就必不可少，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，且可减少鱼雷的形状阻力和噪声，便于拆装，因而具有明显的优势。由于鱼雷在装配、运输及发射等过程中承受较大的弯矩，而且楔环连接的母端壳体开孔尺寸和楔环厚度是影响连接强度的主要因素，为了装拆的方便增加壳体开孔的尺寸，减薄楔环的厚度，有必要分析段间的连接强度。鱼雷段间楔环连接是典型结构非线性问题，存在连接结构复杂、载荷工况多的特点，为此，基于ANSYS Workbench 建立接触模型的结构非线性分析方法，可求解鱼雷楔环连接的强度分析问题。

1 鱼雷舱段楔环连接结构工作原理

鱼雷楔环连接是利用两个带楔形面的开口圆环在周向相对运动时产生轴向的拉力将鱼雷两个舱段连接在一体。如图1 所示，该结构楔环安装在两个舱段壳体形成的矩形环槽内，在雷体表面只留有一个紧密配合的接缝和一个楔环安装窗口，可以保证雷体表面非常光顺。同时，这种设计还有结构尺寸紧凑，质量轻、径向尺寸占用小及壳体受力均匀的优点，非常适合雷内空间狭小的小口径鱼雷使用。但这种结构因为对接配合面相对较多，舱段对接精度要求较高。在舱段楔环连接设计中，楔环安装窗口的大小、楔环的刚度大小和楔环与安装槽的间隙大小对楔环安装的方便性和连接强度的影响至关重要，楔环的斜面角度选择在满足小于自锁角的同时应尽量小，以减少因振动可能引起的松动。

图 1 楔环连接示意图

2 有限元模型的建立

2.1 楔环连接模型

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2 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，得到了用于有限元分析的楔环连接模型。通过模型改造，可以避免网格不均匀导致的计算误差过大及迭代不收敛等问题。

图2 楔环连接截面图

2.2 鱼雷壳体与楔环的连接模型

运用 UGNX4.0 软件建立了两段鱼雷壳体与楔环连接的实体模型，为保证计算的收敛性，将楔环用一个圆环来代替。两段鱼雷壳体与楔环的装配关系如图3所示。为模拟雷体抗弯试验条件，在鱼雷母壳体远离楔环槽的一端增加刚性端面，实现对雷体的加载。由圣维南原理可知，设置该端面不影响楔环的受力分析。

图3 UG 实体模型图（两段鱼雷壳体与楔环的连接模型）

2.3 有限元模型的网格划分

将 UGNX4.0 中的鱼雷段间装配模型导入ANSYS Workbench，可进行网格划分。鱼雷壳体的网格划分以六面体单元为主，对于壳体的开孔区域进行了局部网格加密。楔环的网格划分全部采用六面体单元。网格划分结果见图4。

图4 有限元网格图

2.4 边界条件及材料特性

2.4.1 边界条件的确定及载荷的施加

将采用楔环连接的两鱼雷壳体段的一端固定，即位移和转角的自由度皆为0；另一端自由，施加弯矩M，见图5。查阅相关参考资料最大的弯矩值M=120kN·m，实际加载时，用力偶矩来代替弯矩，力偶矩作用在连接模型的两个端面上，见图6。

图5 弯矩图

图6 模型加载图

2.4.2 材料特性

鱼雷壳体材料的弹性模量 E=7×104MPa，泊松比μ =0.3，名义屈服应力σ_0.2=245MPa。楔环材料的弹性模量E=7×104MPa，泊松比μ=0.3，名义屈服应力σ_0.2=343MPa。

2.5 接触条件的设置及其算法的选择

2.5.1 接触条件的设置

鱼雷段间楔环连接的强度分析是接触分析，属于状态非线性问题。对于接触问题，接触单元的设置和接触方式的选择对于计算结果的准确性至关重要。接触对单元的定义分为目标面和接触面两部分，此处目标面采用TARGE170 单元，接触面采用CONTAC174 单元。ANSYS Workbench 有五种接触设置，由于鱼雷壳体与楔环之间的相对滑动很小，故选择Frictional 接触方式。

2.5.2 算法的选择

ANSYS Workbench 有四种处理接触问题的算法可供选择，分别是Pure Penalty 法﹑MPC 法﹑Normal Lagrange 法和Augmented Lagrange 法。本分析需关注连接开孔处的应力，因而选择Pure Penalty 法。Pure Penalty 法是求解接触问题的经典方法，该方法将接触区域的非嵌入等条件作为惩罚量引入接触系统的能量泛函中，将原条件约束变分问题转化为罚优化问题。该方法的最大优点在于引入接触条件时并不增加系统的自由度，且不增加计算存储量和计算量。

3 数值模拟

在建立了鱼雷段间连接的有限元模型，并完成了网格划分和边界条件设置之后，由ANSYS Workbench 求解得到的接触应力分析结果如图7和图8所示，为等效应力的等值云图。

图 7 等效应力图

图 8 等效应力局部放大图

4 结果分析

鱼雷壳体段间楔环连接的试验模型见图 9，其加载方式和数值模拟所采用的加载方式一致。试验测得了应变随载荷的变化值（参见图10），可以计算出最大应力值。仿真计算结果最大应力值为470MPa，位置在楔环的边缘且只有少数单元，可能是由于集中应力而引起，壳体开孔处两端的计算应力值与试验值相差不超过6％，基本与试验值相符。