0 案例背景

魚雷產品不可避免要進行分段，那么艙段間連接就必不可少，楔環連接作為一種應用非常廣泛的連接方式，可保證連接部位外表面的光順性，且可減少魚雷的形狀阻力和噪聲，便于拆裝，因而具有明顯的優勢。由于魚雷在裝配、運輸及發射等過程中承受較大的彎矩，而且楔環連接的母端殼體開孔尺寸和楔環厚度是影響連接強度的主要因素，為了裝拆的方便增加殼體開孔的尺寸，減薄楔環的厚度，有必要分析段間的連接強度。魚雷段間楔環連接是典型結構非線性問題，存在連接結構復雜、載荷工況多的特點，為此，基于ANSYS Workbench 建立接觸模型的結構非線性分析方法，可求解魚雷楔環連接的強度分析問題。

1 魚雷艙段楔環連接結構工作原理

魚雷楔環連接是利用兩個帶楔形面的開口圓環在周向相對運動時產生軸向的拉力將魚雷兩個艙段連接在一體。如圖1 所示，該結構楔環安裝在兩個艙段殼體形成的矩形環槽內，在雷體表面只留有一個緊密配合的接縫和一個楔環安裝窗口，可以保證雷體表面非常光順。同時，這種設計還有結構尺寸緊湊，質量輕、徑向尺寸占用小及殼體受力均勻的優點，非常適合雷內空間狹小的小口徑魚雷使用。但這種結構因為對接配合面相對較多，艙段對接精度要求較高。在艙段楔環連接設計中，楔環安裝窗口的大小、楔環的剛度大小和楔環與安裝槽的間隙大小對楔環安裝的方便性和連接強度的影響至關重要，楔環的斜面角度選擇在滿足小于自鎖角的同時應盡量小，以減少因振動可能引起的松動。

                    圖 1 楔環連接示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 楔環連接模型

魚雷殼體楔環連接處的幾何形狀較為復雜，在建立有限元模型時需對楔環連接的幾何模型進行必要的改造。如圖2 所示，通過去除楔環連接幾何模型中的倒角﹑圓角及安裝密封圈的環槽，得到了用于有限元分析的楔環連接模型。通過模型改造，可以避免網格不均勻導致的計算誤差過大及迭代不收斂等問題。

                    圖2 楔環連接截面圖

2.2 魚雷殼體與楔環的連接模型

運用 UGNX4.0 軟件建立了兩段魚雷殼體與楔環連接的實體模型，為保證計算的收斂性，將楔環用一個圓環來代替。兩段魚雷殼體與楔環的裝配關系如圖3所示。為模擬雷體抗彎試驗條件，在魚雷母殼體遠離楔環槽的一端增加剛性端面，實現對雷體的加載。由圣維南原理可知，設置該端面不影響楔環的受力分析。

               圖3 UG 實體模型圖（兩段魚雷殼體與楔環的連接模型）

2.3 有限元模型的網格劃分

將 UGNX4.0 中的魚雷段間裝配模型導入ANSYS Workbench，可進行網格劃分。魚雷殼體的網格劃分以六面體單元為主，對于殼體的開孔區域進行了局部網格加密。楔環的網格劃分全部采用六面體單元。網格劃分結果見圖4。

                    圖4 有限元網格圖

2.4 邊界條件及材料特性

2.4.1 邊界條件的確定及載荷的施加

將采用楔環連接的兩魚雷殼體段的一端固定，即位移和轉角的自由度皆為0；另一端自由，施加彎矩M，見圖5。查閱相關參考資料最大的彎矩值M=120kN·m，實際加載時，用力偶矩來代替彎矩，力偶矩作用在連接模型的兩個端面上，見圖6。

                    圖5 彎矩圖

                    圖6 模型加載圖

2.4.2 材料特性

魚雷殼體材料的彈性模量 E=7×104MPa，泊松比μ =0.3，名義屈服應力σ_0.2=245MPa。楔環材料的彈性模量E=7×104MPa，泊松比μ=0.3，名義屈服應力σ_0.2=343MPa。

2.5 接觸條件的設置及其算法的選擇

2.5.1 接觸條件的設置

魚雷段間楔環連接的強度分析是接觸分析，屬于狀態非線性問題。對于接觸問題，接觸單元的設置和接觸方式的選擇對于計算結果的準確性至關重要。接觸對單元的定義分為目標面和接觸面兩部分，此處目標面采用TARGE170 單元，接觸面采用CONTAC174 單元。ANSYS Workbench 有五種接觸設置，由于魚雷殼體與楔環之間的相對滑動很小，故選擇Frictional 接觸方式。

2.5.2 算法的選擇

ANSYS Workbench 有四種處理接觸問題的算法可供選擇，分別是Pure Penalty 法﹑MPC 法﹑Normal Lagrange 法和Augmented Lagrange 法。本分析需關注連接開孔處的應力，因而選擇Pure Penalty 法。Pure Penalty 法是求解接觸問題的經典方法，該方法將接觸區域的非嵌入等條件作為懲罰量引入接觸系統的能量泛函中，將原條件約束變分問題轉化為罰優化問題。該方法的最大優點在于引入接觸條件時并不增加系統的自由度，且不增加計算存儲量和計算量。

3 數值模擬

在建立了魚雷段間連接的有限元模型，并完成了網格劃分和邊界條件設置之后，由ANSYS Workbench 求解得到的接觸應力分析結果如圖7和圖8所示，為等效應力的等值云圖。

                    圖 7 等效應力圖

                圖 8 等效應力局部放大圖

4 結果分析

魚雷殼體段間楔環連接的試驗模型見圖 9，其加載方式和數值模擬所采用的加載方式一致。試驗測得了應變隨載荷的變化值（參見圖10），可以計算出最大應力值。仿真計算結果最大應力值為470MPa，位置在楔環的邊緣且只有少數單元，可能是由于集中應力而引起，殼體開孔處兩端的計算應力值與試驗值相差不超過6％，基本與試驗值相符。

                    圖9 試驗模型圖

               圖 10 楔環連接極限載荷試驗（載荷～應變曲線）

5 結論

給出了一種基于 ANSYS Workbench，采用有限元分析求解魚雷段間接觸強度的方法。該數值計算方法所求得的結果與試驗結果基本一致，說明了采用有限元分析方法求解魚雷段間接觸問題是可行的，從而為今后類似結構的計算分析和優化設計提供了理論依據。