高速破片撞擊充液容器形成的液壓水錘效應(yīng)試驗(yàn)研究

高速破片撞擊充液容器形成的液壓水錘效應(yīng)試驗(yàn)研究

hydrodynamicram是指通過(guò)高速破屑器探測(cè)充液容器并將動(dòng)能和動(dòng)能傳遞給液體的過(guò)程。如圖1所示，容器變形，損壞。液壓水錘依次分為破片侵徹前面板的侵徹階段,破片撞擊入水的沖擊階段、破片排開(kāi)水并產(chǎn)生空腔的空化階段由于液壓水錘效應(yīng)的普遍性,20世紀(jì)70年代,美國(guó)海軍研究生院(NavalPostgraduateSchool,NPS)和海軍武器中心(NavalWeaponsCenter,NWC)聯(lián)合展開(kāi)了關(guān)于水錘效應(yīng)試驗(yàn)和理論方面的研究,詳細(xì)的研究成果可參考文獻(xiàn)國(guó)內(nèi)針對(duì)液壓水錘的試驗(yàn)研究較少。沈曉樂(lè)等1試驗(yàn)系統(tǒng)和傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,由彈道槍、破片、攔截裝置、破片測(cè)速系統(tǒng)(測(cè)速靶和計(jì)時(shí)儀)、充水水箱、高速錄像機(jī)和壓力測(cè)量系統(tǒng)等組成,彈道槍與水箱之間的距離約為3.2m。試驗(yàn)破片為直徑9.5mm的鎢球,質(zhì)量8g。攔截裝置為開(kāi)孔的厚鋼板,用于攔截在槍口分離的彈托碎片以免其撞擊水箱干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)采用PhantomV641型高速錄像機(jī)記錄破片撞擊容器以及空腔變化的全過(guò)程,高速錄像機(jī)的幀率設(shè)為5000幀/s,為了便于錄像機(jī)清晰地記錄破片的運(yùn)動(dòng)軌跡,在水箱后方布置白色背景布。如圖3(a)所示,試驗(yàn)所用的容器為一長(zhǎng)方體容器。容器長(zhǎng)500mm,寬400mm,高400mm,沿彈道方向的容器前后面板為4mm厚的2A12T4鋁合金板,兩側(cè)為18mm厚的有機(jī)玻璃,后面的有機(jī)玻璃上貼有坐標(biāo)紙,容器頂部和底部為10mm厚的2A12T4鋁合金板。通過(guò)螺釘將靶板和有機(jī)玻璃固定,試驗(yàn)前向容器中注滿(mǎn)水,靶板和玻璃的縫隙用玻璃膠進(jìn)行密封,防止漏水。試驗(yàn)使用3枚壓力傳感器記錄水中的壓力變化情況,傳感器編號(hào)和安裝位置如圖3所示,編號(hào)P1的傳感器安裝在前面板中心豎直向下50mm處,編號(hào)P2和P3安裝在底面的中線(xiàn)位置,距前面板分別100mm和200mm。傳感器的型號(hào)為JF-YD-214,量程100MPa,靈敏度為37.6PC/MPa。使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為1MHz。通過(guò)調(diào)整發(fā)射藥裝藥量來(lái)控制破片的撞擊速度,由測(cè)速系統(tǒng)和高速錄像機(jī)同時(shí)記錄破片的速度。試驗(yàn)共進(jìn)行6發(fā)射擊,剔除因彈托碎片撞上箱體的無(wú)效射擊后剩余4發(fā)射擊,由高速錄像機(jī)得到破片的撞擊速度v2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1破片撞擊后面板的流場(chǎng)分布取破片撞擊前面板時(shí)刻為t=0μs,破片撞擊速度為909m/s時(shí)高速錄像機(jī)記錄的破片侵徹面板入水及空腔變化過(guò)程如圖4所示。從圖中可以看出,破片撞擊前面板瞬間產(chǎn)生大量火光,隨后破片沖擊入水,前面板撞擊位置附近迅速向外鼓起,破片頭部和前面板間產(chǎn)生一個(gè)圓錐狀的空腔,空腔內(nèi)的氣體主要由從入射孔進(jìn)入的空氣和局部低壓導(dǎo)致的氣化水蒸氣組成。隨著破片在水中的運(yùn)動(dòng),空腔沿著徑向和軸向迅速擴(kuò)張,且空腔內(nèi)的灰色發(fā)生了變化,說(shuō)明空腔內(nèi)部存在著流場(chǎng)變化。t=1000μs時(shí),破片撞擊后面板,后面板內(nèi)表面在撞擊點(diǎn)位置出現(xiàn)一圈氣泡并迅速沿徑向擴(kuò)展,如圖5所示。這是由于破片撞擊后面板的沖擊波強(qiáng)度超過(guò)了水的抗拉上限,因此沖擊波附近的水域在水的慣性作用下會(huì)出現(xiàn)空化氣泡2.2破片撞擊后面板中p、混局部載荷3、4圖6為v圖6(b)為空腔膨脹時(shí)的壓力曲線(xiàn),從P1曲線(xiàn)可以看出,壓力在初始沖擊過(guò)后在0MPa附近來(lái)回震蕩,在1400μs左右,圖中箭頭位置出現(xiàn)了一個(gè)較小的局部峰值,該峰值與破片初始沖擊波峰值的時(shí)間差為1368μs。結(jié)合高速攝影可知,1000μs左右破片撞擊后面板,若產(chǎn)生的沖擊波以水中聲速1400m/s傳播,則沖擊波到達(dá)前面板所需時(shí)間為360μs。結(jié)合以上分析,可以認(rèn)為該局部峰值是由于破片撞擊后面板產(chǎn)生的沖擊波傳播至P1處導(dǎo)致。3500μs后由于傳感器P1被空腔包圍在內(nèi),壓力下降到-1MPa左右,遠(yuǎn)小于水的飽和蒸汽壓,該壓力即為空腔尾部的壓力。P2和P3曲線(xiàn)在沖擊階段后在0MPa附近震蕩,空化階段的震蕩幅度要小于拖拽階段。圖6(c)為空腔收縮和潰滅時(shí)的壓力曲線(xiàn),由圖可知空腔收縮時(shí)P1傳感器的壓力小于0MPa,而P2和P3保持在0MPa左右。20000μs后空腔潰滅產(chǎn)生沖擊波,P1、P2和P3此時(shí)記錄的壓力峰值分別為0.3MPa、3.9MPa和12.6MPa。不同破片撞擊速度時(shí)的壓力變化曲線(xiàn)如圖7所示,其中v2.3撞擊速度對(duì)最大變形的影響圖8為v以面板左下角為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,得到面板沿x和y方向與參考水平面最大距離d,如圖10所示,橫坐標(biāo)L為距原點(diǎn)距離。由圖可知前面板的變形曲線(xiàn)較不光滑,變形范圍隨著撞擊速度的增大沿撞擊點(diǎn)向四周擴(kuò)展,撞擊速度對(duì)最大變形的影響較小;不同速度的后面板變形曲線(xiàn)形狀較為一致,撞擊位置兩側(cè)變形較為對(duì)稱(chēng)。撞擊速度的增大不僅使得破片穿出階段的速度增大,也增大了穿出前作用在后壁面上的液壓載荷,因此后壁面的最大變形及變形范圍都隨著速度的增大而變大,撞擊速度較小時(shí)遠(yuǎn)離撞擊位置處幾乎不存在變形。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)破片穿孔的直徑約為11mm,為破片直徑的1.16倍。利用上述方法可以得到前面板入射孔中心位置,并計(jì)算得到入射孔中心與傳感器的距離,結(jié)合P1、P2、P3傳感器壓力峰值間隔時(shí)間,求得的初始沖擊波從撞擊位置至P2和P2至P3處的平均傳播速度u3初始沖擊階段1)高速破片撞擊充水容器時(shí),由于破片撞擊后面板時(shí)產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度超過(guò)了水的抗拉上限,沖擊波附近的水域在水的慣性作用下會(huì)出現(xiàn)空化氣泡,氣泡在后面板內(nèi)表面從撞擊點(diǎn)位置迅速沿徑向擴(kuò)展。2)液壓水錘初始沖擊階段,由于破片沖擊入水產(chǎn)生沖擊波接觸前面板后發(fā)生反射,而入射波和反射波疊加在結(jié)構(gòu)的流固耦合面會(huì)形成一定的負(fù)壓區(qū),因此距離撞擊點(diǎn)較近的區(qū)域在初始沖擊波壓力脈沖過(guò)后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大負(fù)壓,而距離撞擊點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域則不受負(fù)壓影響。容器底部的壓力持續(xù)時(shí)間和形