高速破片撞擊充液容器時容器壁面的破壞程度

高速破片撞擊充液容器時容器壁面的破壞程度

如果高速侵蝕（例如彈殼或戰(zhàn)艦碎片）穿過帶有液體容器（如汽油、罐車、加油管道等），則無法穿透油壓機。20世紀70年代就有學者對液壓水錘現(xiàn)象進行研究并建立工程計算模型,用以預測箱體內(nèi)的壓力。Ball等以上研究均未涉及破片動能大小與容器壁面毀傷程度的關系,故本文中主要研究充液容器在不同動能破片撞擊下的容器壁面所受載荷、容器壁面的響應及毀傷程度,建立破片撞擊動能與容器壁面毀傷的關系,為戰(zhàn)場目標、油箱、民用設施(油罐車、輸油管道等)的設計與防護提供參考。1計算和實驗高速破屑器的值1.1材料模型的建立為了研究破片撞擊充液容器后其前后面板的響應特性,對充滿水的容器建立有限元模型,如圖1所示,模型中充液容器由壓盤、前后面板、圓筒組成。其中,圓筒材料為鋼,外徑為130mm,內(nèi)徑110mm,高98mm。圓筒前后壁面為180mm×180mm×4mm的2024T4鋁合金板。用壓盤將鋁合金板固定在圓筒兩側,壓盤內(nèi)徑為105mm,外徑180mm,厚度14mm,破片是鎢球。使用LS-DYNA對高速破片撞擊充液容器的過程進行數(shù)值計算。數(shù)值模擬時,采用JohnsonCook模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述充液容器的前后面板材料,面板材料和狀態(tài)方程參數(shù)表1和2;采用PlasticKinematic模型描述破片材料,材料參數(shù)見表3。用Null模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述水。用Null模型和LinearPolynomial狀態(tài)方程描述空氣,其中壓力由式(1)定義:式中:C用剛體模型來描述壓盤和圓筒。鎢球、前后面板、壓盤和圓筒為Lagrange網(wǎng)格,水和空氣為Euler網(wǎng)格且共節(jié)點。水和空氣與圓筒和前后壁面之間用ALE(ArbitraryLagrange-Euler)方法進行耦合。1.2高速破屑實驗1.2.1出容器后運動狀態(tài)實驗布置如圖2所示。實驗時,用彈道槍發(fā)射球形破片撞擊充液容器。用測速靶和計時儀測破片撞擊容器時的速度,并用高速相機記錄破片穿出容器后的運動狀態(tài)。由于破片直徑小于彈道槍口徑,為了使用彈道槍加速驅動破片獲得一定速度,采用彈托來密閉火藥氣體壓力;同時,在測速靶前增加了擋托裝置,防止彈托干擾測速和撞擊壁板。充液容器后布置了一塊白色背景布,便于高速相機捕捉破片的運動狀態(tài)。實驗所用充液容器如圖3所示,充液容器由壓盤、前后面板、圓筒和螺桿組成。容器尺寸同上,用壓盤將鋁合金板固定在圓筒兩側,通過螺栓壓緊固定。1.2.2破片動能對前后壁面對比的影響共進行25發(fā)試驗,剔除無效實驗(如破片命中位置偏離容器中心較遠和測試數(shù)據(jù)不全等)后剩余17發(fā),實驗情況及結果如表5所示(部分)。撞擊動能為1191、4667和9792J破片撞擊充滿水的容器后,容器前后壁面的試驗照片與三維激光掃描圖如圖4所示。可以看出,破片命中位置處的容器壁面的變形量不是以破片撞擊點為中心的,而是與水接觸的壁面均有變形。破片動能較低時,壁面的最大變形出現(xiàn)的破片撞擊點周圍,但隨著破片撞擊動能的增加破片撞擊點對液壓水錘的影響減小。圖4(e)壁面上有2個彈孔,遠離面板中心的彈孔為彈托撞擊面板造成的(由于鋁制彈托質量較小速度較低,到達時間較晚,對水錘效應的影響較小,所以可以忽略)。1.3破片撞擊動能對前后壁面損傷的影響選取撞擊動能為1191、4667和9792J的破片撞擊充液容器的過程進行計算,并和實驗結果進行了對比,結果如表6所示,破片穿出容器后壁面的剩余速度最大誤差為5.3%,實驗與數(shù)值仿真結果具有較好的一致性,說明有限元模型的建立和材料參數(shù)的選取比較合理。撞擊動能為1191、4667和9792J破片撞擊充滿水的容器后,實驗與數(shù)值模擬中充液容器前后壁面的破壞情況如圖5所示?？梢钥闯鲅仄破肷浞较?破片撞擊動能為1191J時,充液容器的前后壁面上只有圓孔沒有出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象;破片撞擊動能為4667J時充液容器前壁面向外凸起但圓孔周圍沒有出現(xiàn)裂紋,后壁面不僅向外凸起并且圓孔周圍出現(xiàn)裂紋;破片撞擊動能為9792J時(前面板上靠近邊緣的彈孔為鋁制彈托打在鋁靶上,由于鋁制彈托的質量小、速度低,到達時間較晚,所以忽略不計),充液容器的前壁面外凸并在圓孔周圍出現(xiàn)小裂紋且后壁面呈花瓣式開裂?？梢?隨著破片撞擊動能的增加,前后壁面的破壞越來越嚴重。實驗與仿真結果中的壁面毀傷情況吻合。2破片動能對壁面損傷的影響為研究充液容器在不同動能破片撞擊作用下容器前后壁面的響應,下面通過改變破片速度計算不同動能(2000～10000J,間隔為1000J)破片撞擊充滿水的容器的過程。2.1容器內(nèi)不同區(qū)域的壓力分布撞擊動能為7000J的高速破片撞擊充水容器過程中,前后壁面上距離破片撞擊點不同距離處單元的峰值壓力如圖6所示。從圖中可以看出,作用于前后壁面的峰值壓力都是隨壁面位置與破片入射點間距離的增加而減小,所以距離破片入射點和出射點較近的位置處,壁面的變形較大;距離破片入射點和出射點較遠的位置處,壁面變形較小。容器前后壁面上距離破片入射點相同距離處,作用于后壁面峰值壓力大于前壁面上的峰值壓力,所以水錘效應對后壁面的破壞嚴重于前壁面。前后壁面上距破片入射點3cm處壓力隨時間變化曲線如圖7所示,其中階段Ⅰ為破片對充液容器前壁面的侵徹階段,撞擊作用在前面板中形成一個應力波,該應力波在前壁面與水的分界面處發(fā)生透射,在水中形成擾動,該擾動作用于距破片入射點3cm處單元上時具有2.7MPa壓力。階段Ⅱ為沖擊階段,即破片撞擊水介質形成初始沖擊波(沖擊波在水中運動速度大于破片速度),初始沖擊波傳播至前壁面3cm處的最大壓力為13MPa。破片入水沖擊形成的沖擊波(壓力波)與壁面間存在強的耦合作用,壓力作用于壁面導致壁面運動,壁面運動又會在水中形成稀疏波,導致壓力降為0。階段Ⅲ為拖拽階段,即破片在水中運動階段,破片壓縮水介質而在破片頭部形成一個高壓區(qū)。因此初始沖擊波在邊界處(圓筒)發(fā)生反射并與水中壓力波發(fā)生干涉后,使得距破片入射點3cm處壓力在50.5μs時下降為0。隨著破片的運動,容器內(nèi)壓力升高并趨于平衡,損失的動能轉換成了容器內(nèi)液體的壓力勢能和其他的能量。67.5μs時破片頭部高壓區(qū)內(nèi)壓力開始作用于容器后壁面,此時液體壓力為75.8MPa,大于初始沖擊波壓力。高壓區(qū)內(nèi)壓力波在液體與后壁面的交界面處發(fā)生反射,使得作用于后壁面的壓力迅速下降,后壁面的第2個壓力波為破片即將到達容器后壁面時破片頭部高壓區(qū)內(nèi)壓力作用于后壁面。階段Ⅳ為破片對后壁面的侵徹階段,破片侵徹后壁面時破片動能主要用于侵徹容器后壁面,不再傳遞能量給水,所以作用于后壁面的壓力降低。階段Ⅴ為破片穿出充液容器后階段,容器中的水還具有動能使容器內(nèi)氣腔繼續(xù)膨脹,所以前后壁面上的壓力逐漸增大,氣腔膨脹至其體積最大后,作用于容器前后壁面上的壓力開始下降。選取作用于容器前壁面上距破片撞擊點2、3和4cm處的壓力時間曲線如圖8所示。從圖中可以看出2cm處的初始沖擊波強度最大。實際上,破片頭部每一點撞擊液面時,都在撞擊點前產(chǎn)生一個半球形沖擊波,并以半球面波形式在液體中傳播。因此靠近撞擊中心位置所受載荷是由多個脈沖組成的。3和4cm處單元拖拽階段的壓力大于初始沖擊波傳播至該位置處的壓力,說明隨著破片在容器內(nèi)運動時間的增加液體內(nèi)壓力是增大的。作用于容器后壁面距破片撞擊點2、3和4cm處的壓力時間曲線如圖9所示,可以看出距離對作用于容器后壁面的第一個壓力波的影響較明顯。隨所處位置與破片撞擊點距離的增加,作用于后壁面的壓力是減小的。其中,距離破片撞擊點2cm處壓力為4cm處的1.31倍。說明液壓水錘效應對容器后壁面破片出口位置破壞作用大于其他位置。由于受到容器邊界效應的影響,后面作用于壁面4cm處的壓力大于3cm處的壓力。2.2破片撞擊動能對前后壁面最大壓力的影響作用于充液容器前后壁面距破片入射點3cm處最大壓力曲線如圖10所示,可以看出隨著破片動能的增加,作用于充液容器前后壁面的最大壓力是增大的。并且作用于容器后壁面最大壓力增加的幅度大于容器的前壁面。在破片撞擊動能小于4000J時,容器前壁面的最大壓力大于容器后壁面的壓力;破片撞擊動能大于6000J時后壁面的最大壓力大于其前壁面的最大壓力,所以后壁面的變形與破壞程度大于前壁面(破片動能小于10000J)。3容器壁面響應3.1前后壁面均無變形圖11為撞擊動能為7000J的破片撞擊充液容器過程中容器前后壁面的變形情況,可以看出9μs時破片剛穿透容器前壁面進入水中,容器的前后壁面的變形量為0,即容器的前后壁面均無變形,9μs后前壁面開始產(chǎn)生外凸變形。66μs后(破片在充液容器中),容器后壁面開始出現(xiàn)變形,前壁面變形量為2.74mm。容器前壁面的最大變形量出現(xiàn)于破片穿出充液容器后90μs,最大變形量為11.42mm。破片穿出容器163μs時,后壁面的最大變形量最大,為20.15mm,是前壁面最大變形量的1.76倍,而此時前壁面變形與其變形量最大值相比變小了。說明高速破片撞擊充液容器過程中,容器前壁面先開始出現(xiàn)變形,也最先出現(xiàn)最大變形,后壁面的變形大于前壁面。3.2破片動能對前后壁面距破片撞擊動能的影響破片撞擊動能為7000J時容器前后壁面上距離破片撞擊點3cm處變形量隨時間變化曲線如圖12所示,容器在破片撞擊充液容器的侵徹和沖擊階段前后壁面幾乎無變形,破片進入水中并在水中運動時,容器的前壁面先開始發(fā)生變形,隨著破片水中運動時間的增加前壁面的變形逐漸增大。破片在水中運動一段時間后(破片未穿出容器),后壁面開始發(fā)生變形。前后壁面的最大變形均出現(xiàn)在破片穿出容器后,并且后壁面的最大變形量大于前壁面的變形量,約為前壁面變形量的1.6倍。前后壁面變形量達到最大值后,變形量隨時間小幅下降后逐漸趨于平緩。充液容器前壁面距破片入射點3cm處變形量時間曲線如圖13所示,可以看出破片撞擊動能對容器前壁面變形量隨時間的變化規(guī)律影響不大。隨破片撞擊動能的增加前壁面的最大變形是逐漸增大的,破片撞擊動能為10000J時,前壁面的變形為0.79cm為破片撞擊動能為2000J時的2.63倍。破片撞擊動能較低時,隨破片動能的增加前壁面變形量增加的較為明顯;破片動能較高時,隨破片動能的增加前壁面變形量增加量減小。而且前壁面最大變形量出現(xiàn)的時間較為相近,時間最大相差27μs。后壁面距破片入射點3cm處變形量時間曲線如圖14所示,圖中可以看出破片撞擊動能越高容器后壁面的變形量越大,破片撞擊動能為10000J時,后壁面的變形為1.27cm,約為前壁面變形量的1.61倍。且后壁面達到最大變形量的時間隨破片撞擊動能的增加而減小。壁面變形的增加幅度隨破片撞擊動能的增加是減小的。3.3破塊動能對容器前后表面的最大變形量的影響圖15為不同動能破片撞擊充液容器后前后壁面最大變形量與能量關系圖,其中δ3.4前后壁面出現(xiàn)裂紋時如圖16所示為前后壁面裂紋數(shù)量與能量的關系圖,試驗中除了破片動能為1191J時充液容器后壁面沒有出現(xiàn)裂紋外,其他能量(E充液容器的毀傷程度主要是通過容器的漏液量來衡量的。高速破片撞擊充液容器過程中,充液容器前后壁面均未出現(xiàn)裂紋時,容器通過前后壁面上的小孔向外漏液;充液容器只有后壁面出現(xiàn)裂紋時,容器通過前壁面的小孔和后壁面的大孔向外漏液;前后壁面均出現(xiàn)裂紋時,油箱則通過前后壁面上大孔向外漏液,所以,充液容器前后壁面均出現(xiàn)裂紋時,充液容器的毀傷程度更高。同時,影響液壓水錘效應的因素很多,本文只通過改變破片撞擊速度的角度來研究破片撞擊動能對對壁面毀傷的影響,其他因素(如壁面材料、壁面厚度,容器充液量