液壓水錘效應(yīng)對容器毀傷的試驗研究

張 一，徐 強(qiáng)

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院儀器儀表工程， 南京 210000)

當(dāng)高速侵徹體(如子彈或戰(zhàn)斗部的破片)穿透裝有液體的容器(如油箱、油罐車、輸油管道等)壁并進(jìn)入液體時，一個很強(qiáng)的壓力場在液體中形成并傳播，產(chǎn)生的壓力載荷作用在容器結(jié)構(gòu)上，該現(xiàn)象被稱為液壓水錘現(xiàn)象[1]。

液壓水錘對容器結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的破壞作用，水錘效應(yīng)起源于對飛機(jī)易損性的研究，因為油箱是典型的裝有液體的容器，是飛機(jī)上一個體積較大的關(guān)鍵部件，其毀傷直接關(guān)系到飛機(jī)的生存。在越南戰(zhàn)爭中，很多低空飛行的飛機(jī)被小火力武器擊落，在“沙漠風(fēng)暴”軍事行動中，75%的飛機(jī)失事是由于燃油系統(tǒng)破壞引起的[2]。

針對水錘效應(yīng)，作者查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)很多戰(zhàn)場目標(biāo)的設(shè)計更多偏重于功能，對于易損性和戰(zhàn)場生存能力的研究不夠重視，因此關(guān)于高速物體撞擊裝有液體容器引起結(jié)構(gòu)毀傷的研究(水錘效應(yīng))幾乎是空白[3-4]。國外P.Stephani等人僅從數(shù)值分析方面研究，D.Varas等人的研究由于侵徹體的速度為600 m/s，不能滿足未來的應(yīng)用需求，并且只測試了壓力和箱體應(yīng)變，沒有分析這些參數(shù)之間的關(guān)系[5-9]。為了滿足未來應(yīng)用的迫切需求，深入開展水錘效應(yīng)對容器結(jié)構(gòu)毀傷機(jī)理的研究是非常必要的。

本文通過模擬高速破片對油箱的侵徹過程，測試侵徹過程中高速破片速度，模擬油箱壓力及氣腔大小的變化數(shù)據(jù)，分析液壓水錘效應(yīng)對容器的破壞作用。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方案設(shè)定

該試驗平臺由彈道槍，測速靶和模擬容器組成，如圖1所示。彈道槍射出高速破片，穿透帶有計時儀的兩塊錫箔靶，通過時間差計算出破片實際撞擊箱體的初速度。高速攝影儀記錄高速破片進(jìn)入模擬容器后的運(yùn)動情況以及在高速破片后形成的氣腔大小，根據(jù)高速錄像的攝像頻率計算高速破片在容器內(nèi)的運(yùn)動速度[10]。

在箱體里面注滿水，通過調(diào)整不同發(fā)射裝藥量，使破片獲得不同的速度。共進(jìn)行三發(fā)試驗，第一發(fā)和第三發(fā)箱體不加蓋，第二發(fā)箱體加蓋。

1.2 測試系統(tǒng)的組成

該試驗通過壓電傳感器將箱體內(nèi)的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，數(shù)采系統(tǒng)將采集到的電信號保存到PC端。該試驗采用JF-YD-214型號壓電傳感器，壓力范圍為2 000～100 000 Pa，靈敏度為3.76PC/105Pa(靜標(biāo))mv/105Pa。

實驗中在容器的底面和前側(cè)面上安裝壓力傳感器(圖2所示)，1號傳感器安裝在沿入射方向前板面上距離靶孔50 mm的位置，2、3號傳感器安裝在底板中心線上分別距離前板面100 mm，200 mm的位置。測試不同速度下不同位置處箱體內(nèi)液體的壓力[11]。

1.3 模擬容器的結(jié)構(gòu)

該試驗中使用的模擬容器如圖3所示。模擬容器規(guī)格為500 mm×400 mm×400 mm。容器前后兩側(cè)壁為2A12 T4鋁合金板，厚度為4 mm，左右兩側(cè)壁為有機(jī)玻璃，厚度為18 mm，左邊的有機(jī)玻璃后面放置網(wǎng)格背景板。水箱底部為400 mm×500 mm×10 mm厚2A12 T4鋁合金板。金屬板和有機(jī)玻璃通過螺釘固定。容器縫隙處使用玻璃膠進(jìn)行密封，防止漏水。

2 測試結(jié)果和分析

2.1 壓力和速度關(guān)系

試驗中1號壓力傳感器測得的壓力時間曲線如圖4所示(第一發(fā)1號傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，剔除)。

在這兩發(fā)侵徹過程中，1號傳感器測得的壓力波形很相似，由于第二發(fā)破片動能較大，造成所測壓力峰值較大。分析曲線可知，第一個波峰即為水錘效應(yīng)第二階段的最大壓力，持續(xù)時間大約56 μs，在第二階段結(jié)束之后，壓力值下降到0 MPa左右，然后進(jìn)入水錘效應(yīng)的第三階段。第二發(fā)在進(jìn)入第三階段后出現(xiàn)兩個反向負(fù)壓，然后壓力穩(wěn)定在-9 MPa左右，結(jié)合高速攝影錄像可知此時氣腔已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定膨脹階段，且水箱沿破片入射方向前壁面處的氣腔直徑已經(jīng)超過破片撞擊點與壓力傳感器的距離。之前的壓力振蕩就是氣腔剛開始形成時產(chǎn)生的壓力波動。第3發(fā)的第三階段壓力比第二階段壓力小得多，大小在2 MPa左右波動。侵徹產(chǎn)生的沖擊波為球形波，以撞擊點為中心在液體中傳播，因為球面波衰減速度很快，所以第一個波峰持續(xù)時間很短。

試驗中二號、三號壓力傳感器測得的壓力時間曲線如圖5、圖6所示。

將圖5、圖6與圖4相比較，壓力上升較為緩慢，并且作用時間短，只有20 μs左右。造成該現(xiàn)象的原因為破片侵徹箱體后，在箱體內(nèi)形成球面波，壓力傳感器測得的壓力峰值為球面波傳播到傳感器上方位置時產(chǎn)生的。破片動能越大，產(chǎn)生的壓力峰值越大。發(fā)現(xiàn)1號和3號的波形比較相似，隨著壓力傳感器與前壁面距離的增加，能更加完整地反映壓力波形。

試驗中第二發(fā)、第三發(fā)中3個壓力傳感器測得的壓力時間曲線如圖7、圖8所示。

在侵徹過程中，兩組波形大體相似，分析曲線可知，第二發(fā)試驗中1號傳感器第一個壓力脈沖的峰值為25.48 MPa，第三發(fā)試驗中1號傳感器第一個壓力脈沖的峰值約為16.49 MPa。第二發(fā)破片的動能比第三發(fā)動能大，并且第三發(fā)試驗中，傳感器距離實際撞擊點的距離又大于第二發(fā)的距離，所以第二發(fā)試驗中前壁面的壓力脈沖峰值大于第三發(fā)試驗中前壁面的壓力脈沖峰值。而第三發(fā)試驗中3個傳感器的第一個壓力脈沖的時間間隔與第二發(fā)試驗中3個傳感器的第一個壓力脈沖的時間間隔較為一致，水箱底面兩枚傳感器測得的第一個壓力脈沖的波形和峰值也較為一致。可見，破片的初始動能值對水箱沿入射方向前壁面上的壓力脈沖的峰值有影響，對水箱底面的壓力脈沖的峰值及不同位置處傳感器的第一個壓力脈沖的時間間隔影響不大。是否加蓋對箱體底面的壓力大小影響不大。

2.2 氣腔和速度關(guān)系

通過高速攝影得到的圖像，分析水錘作用過程中高速破片在箱體中速度衰減和氣腔大小之間的關(guān)系，如圖9、圖10所示。

分析圖9，對比第一發(fā)和第三發(fā)速度衰減曲線，發(fā)現(xiàn)雖然初速度相差較大，但是速度衰減規(guī)律大體相同，破片在箱體中的速度衰減系數(shù)為1.38。對比第一發(fā)和第二發(fā)速度衰減曲線，雖然初速度相差不大，但是速度衰減規(guī)律相差較大，第二發(fā)破片在箱體中的速度衰減系數(shù)為1.44。破片速度的衰減與箱體是否加蓋有較為明顯的關(guān)系，加蓋的條件下，速度衰減較快。密閉條件下，箱體內(nèi)的能量釋放較慢，對破片的阻力大。

通過圖10，分析曲線發(fā)現(xiàn)第一發(fā)和第三發(fā)，兩條曲線基本平行，說明破片撞擊水介箱的速度越大，在破片撞擊水箱初期形成氣腔的直徑越大。加蓋的第二發(fā)與不加蓋的第一發(fā)相比，破片的撞擊速度相差不大，但氣腔的長度和直徑曲線卻位于第一發(fā)試驗中氣腔長度和直徑曲線的下方，說明破片運(yùn)動至水箱中的相同位置時，不加蓋的水箱中的氣腔直徑比加蓋的水箱中的氣腔直徑要大。第二發(fā)試驗中氣腔長和直徑曲線的斜率變化不大，截距小很多，說明氣腔直徑長度的膨脹規(guī)律不變。是否加蓋對氣腔形成初期影響較大。

3 結(jié)論

1) 通過對容器前壁面的壓力測量可知，容器沿入射方向前壁面上承受水錘效應(yīng)第二階段的壓力最大，且壓力脈沖持續(xù)的時間約為56 μs，壓力脈沖過后前壁面所受壓力值下降至0 MPa左右。水錘效應(yīng)第三階段作用在沿破片入射方向前壁面上的壓力與第二階段相比很小。

2) 第三階段壓力脈沖與第二階段相比，壓力大小上升較為緩慢，并且壓力作用時間也很短，約20 μs左右。破片產(chǎn)生的壓力與破片初始動能有關(guān)，破片初始動能越大，水錘作用過程中破片產(chǎn)生的壓力越大。

3) 破片初始動能對前壁面壓力影響大，但是對箱體底面的壓力峰值及不同位置處傳感器的第一個壓力時間間隔影響不大。

4) 破片撞擊速度對氣腔的膨脹規(guī)律影響不大，水箱加蓋與不加蓋對氣腔的膨脹規(guī)律影響較大。即破片運(yùn)動至水箱中的相同位置處時不加蓋的水箱中氣腔直徑比加蓋的水箱中的氣腔直徑要大。

試驗表明，在箱體密封的前提下，增大高速破片的侵徹速度，使箱體前表面造成的毀傷更嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)：

[1] SOPER W R.Hydraulic Ram Studies[M].Hydraulic Ram Studies,1973.

[2] 劉國繁,陳照峰,王永健,等.飛機(jī)油箱水錘效應(yīng)研究方法及進(jìn)展[J].航空工程進(jìn)展,2014,5(1):1-6.

[3] 曹兵.不同破片對模擬巡航導(dǎo)彈油箱毀傷實驗研究[J].火工品,2008(5):10-13.

[4] 杜忠華,閏文敏,朱建生.破片撞擊充液密閉油箱的實驗研究及數(shù)值仿真.[J]實驗力學(xué),2008,23(6).

[5] CHEN Liang,SONG Bifeng,PEI Yang.Simulation Analysis of Hydrodynamic Ram Phenomenon in Composite Fuel Tank to Fragment Impact[C]//Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.[S.l.]:[s.n.],2011.

[6] VARAS D,ZAERA R,LOPEZ-PUENTE J.Numerical modelling of partially filled aircraft fuel tanks submitted to Hydrodynamic Ram[J].Aerospace Science and Technology,2012,16:19-28.

[8] NICOLAS LECYSYN,AURéLIA BONY-DANDRIEUX,LAURENT APRIN.Experimental study of hydraulic ram effects on a liquid storage tank:Analysis of overpressure and cavitation induced by a high-speed projectile[J].Journal of Hazardous Materials,2010,178:635-643.

[9] SAUER M.Simulation of high velocity impact in fluid-filled containers using finite elements with adaptive coupling to smoothed particle hydrodynamics[J].International Journal of Impact Engineering,2011,38:511-520.

[10] 李良威,婁國偉.高速攝影法測量彈丸的破片速度[J].光子學(xué)報,1991,20(4):438-442.