高速破片撞擊充液容器時(shí)容器壁面的破壞程度

高速破片撞擊充液容器時(shí)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(jī)。20世紀(jì)70年代就有學(xué)者對(duì)液壓水錘現(xiàn)象進(jìn)行研究并建立工程計(jì)算模型,用以預(yù)測(cè)箱體內(nèi)的壓力。Ball等以上研究均未涉及破片動(dòng)能大小與容器壁面毀傷程度的關(guān)系,故本文中主要研究充液容器在不同動(dòng)能破片撞擊下的容器壁面所受載荷、容器壁面的響應(yīng)及毀傷程度,建立破片撞擊動(dòng)能與容器壁面毀傷的關(guān)系,為戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)、油箱、民用設(shè)施(油罐車、輸油管道等)的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供參考。1計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(yīng)特性,對(duì)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(cè),壓盤內(nèi)徑為105mm,外徑180mm,厚度14mm,破片是鎢球。使用LS-DYNA對(duì)高速破片撞擊充液容器的過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。數(shù)值模擬時(shí),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L(zhǎng)agrange網(wǎng)格,水和空氣為Euler網(wǎng)格且共節(jié)點(diǎn)。水和空氣與圓筒和前后壁面之間用ALE(ArbitraryLagrange-Euler)方法進(jìn)行耦合。1.2高速破屑實(shí)驗(yàn)1.2.1出容器后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),用彈道槍發(fā)射球形破片撞擊充液容器。用測(cè)速靶和計(jì)時(shí)儀測(cè)破片撞擊容器時(shí)的速度,并用高速相機(jī)記錄破片穿出容器后的運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)破片獲得一定速度,采用彈托來密閉火藥氣體壓力;同時(shí),在測(cè)速靶前增加了擋托裝置,防止彈托干擾測(cè)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(jī)捕捉破片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)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(cè),通過螺栓壓緊固定。1.2.2破片動(dòng)能對(duì)前后壁面對(duì)比的影響共進(jìn)行25發(fā)試驗(yàn),剔除無效實(shí)驗(yàn)(如破片命中位置偏離容器中心較遠(yuǎn)和測(cè)試數(shù)據(jù)不全等)后剩余17發(fā),實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果如表5所示(部分)。撞擊動(dòng)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(yàn)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(diǎn)為中心的,而是與水接觸的壁面均有變形。破片動(dòng)能較低時(shí),壁面的最大變形出現(xiàn)的破片撞擊點(diǎn)周圍,但隨著破片撞擊動(dòng)能的增加破片撞擊點(diǎn)對(duì)液壓水錘的影響減小。圖4(e)壁面上有2個(gè)彈孔,遠(yuǎn)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(zhì)量較小速度較低,到達(dá)時(shí)間較晚,對(duì)水錘效應(yīng)的影響較小,所以可以忽略)。1.3破片撞擊動(dòng)能對(duì)前后壁面損傷的影響選取撞擊動(dòng)能為1191、4667和9792J的破片撞擊充液容器的過程進(jìn)行計(jì)算,并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)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(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)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(dòng)能為1191、4667和9792J破片撞擊充滿水的容器后,實(shí)驗(yàn)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(dòng)能為1191J時(shí),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(dòng)能為4667J時(shí)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(dòng)能為9792J時(shí)(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(zhì)量小、速度低,到達(dá)時(shí)間較晚,所以忽略不計(jì)),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(dòng)能的增加,前后壁面的破壞越來越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果中的壁面毀傷情況吻合。2破片動(dòng)能對(duì)壁面損傷的影響為研究充液容器在不同動(dòng)能破片撞擊作用下容器前后壁面的響應(yīng),下面通過改變破片速度計(jì)算不同動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(diǎn)間距離的增加而減小,所以距離破片入射點(diǎn)和出射點(diǎn)較近的位置處,壁面的變形較大;距離破片入射點(diǎn)和出射點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置處,壁面變形較小。容器前后壁面上距離破片入射點(diǎn)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(yīng)對(duì)后壁面的破壞嚴(yán)重于前壁面。前后壁面上距破片入射點(diǎn)3cm處壓力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示,其中階段Ⅰ為破片對(duì)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(gè)應(yīng)力波,該應(yīng)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(dòng),該擾動(dòng)作用于距破片入射點(diǎn)3cm處單元上時(shí)具有2.7MPa壓力。階段Ⅱ?yàn)闆_擊階段,即破片撞擊水介質(zhì)形成初始沖擊波(沖擊波在水中運(yùn)動(dòng)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(qiáng)的耦合作用,壓力作用于壁面導(dǎo)致壁面運(yùn)動(dòng),壁面運(yùn)動(dòng)又會(huì)在水中形成稀疏波,導(dǎo)致壓力降為0。階段Ⅲ為拖拽階段,即破片在水中運(yùn)動(dòng)階段,破片壓縮水介質(zhì)而在破片頭部形成一個(gè)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(diǎn)3cm處壓力在50.5μs時(shí)下降為0。隨著破片的運(yùn)動(dòng),容器內(nèi)壓力升高并趨于平衡,損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了容器內(nèi)液體的壓力勢(shì)能和其他的能量。67.5μs時(shí)破片頭部高壓區(qū)內(nèi)壓力開始作用于容器后壁面,此時(shí)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(gè)壓力波為破片即將到達(dá)容器后壁面時(shí)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(duì)后壁面的侵徹階段,破片侵徹后壁面時(shí)破片動(dòng)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(dòng)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(diǎn)2、3和4cm處的壓力時(shí)間曲線如圖8所示。從圖中可以看出2cm處的初始沖擊波強(qiáng)度最大。實(shí)際上,破片頭部每一點(diǎn)撞擊液面時(shí),都在撞擊點(diǎn)前產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(diǎn)2、3和4cm處的壓力時(shí)間曲線如圖9所示,可以看出距離對(duì)作用于容器后壁面的第一個(gè)壓力波的影響較明顯。隨所處位置與破片撞擊點(diǎn)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(diǎn)2cm處壓力為4cm處的1.31倍。說明液壓水錘效應(yīng)對(duì)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(yīng)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(dòng)能對(duì)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(diǎn)3cm處最大壓力曲線如圖10所示,可以看出隨著破片動(dòng)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(dòng)能小于4000J時(shí),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(dòng)能大于6000J時(shí)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(dòng)能小于10000J)。3容器壁面響應(yīng)3.1前后壁面均無變形圖11為撞擊動(dòng)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(shí)破片剛穿透容器前壁面進(jìn)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(shí),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(shí)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(dòng)能對(duì)前后壁面距破片撞擊動(dòng)能的影響破片撞擊動(dòng)能為7000J時(shí)容器前后壁面上距離破片撞擊點(diǎn)3cm處變形量隨時(shí)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(jìn)入水中并在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),容器的前壁面先開始發(fā)生變形,隨著破片水中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加前壁面的變形逐漸增大。破片在水中運(yùn)動(dòng)一段時(shí)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(dá)到最大值后,變形量隨時(shí)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(diǎn)3cm處變形量時(shí)間曲線如圖13所示,可以看出破片撞擊動(dòng)能對(duì)容器前壁面變形量隨時(shí)間的變化規(guī)律影響不大。隨破片撞擊動(dòng)能的增加前壁面的最大變形是逐漸增大的,破片撞擊動(dòng)能為10000J時(shí),前壁面的變形為0.79cm為破片撞擊動(dòng)能為2000J時(shí)的2.63倍。破片撞擊動(dòng)能較低時(shí),隨破片動(dòng)能的增加前壁面變形量增加的較為明顯;破片動(dòng)能較高時(shí),隨破片動(dòng)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(shí)間較為相近,時(shí)間最大相差27μs。后壁面距破片入射點(diǎn)3cm處變形量時(shí)間曲線如圖14所示,圖中可以看出破片撞擊動(dòng)能越高容器后壁面的變形量越大,破片撞擊動(dòng)能為10000J時(shí),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(dá)到最大變形量的時(shí)間隨破片撞擊動(dòng)能的增加而減小。壁面變形的增加幅度隨破片撞擊動(dòng)能的增加是減小的。3.3破塊動(dòng)能對(duì)容器前后表面的最大變形量的影響圖15為不同動(dòng)能破片撞擊充液容器后前后壁面最大變形量與能量關(guān)系圖,其中δ3.4前后壁面出現(xiàn)裂紋時(shí)如圖16所示為前后壁面裂紋數(shù)量與能量的關(guān)系圖,試驗(yàn)中除了破片動(dòng)能為1191J時(shí)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),充液容器的毀傷程度更高。同時(shí),影響液壓水錘效應(yīng)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(dòng)能對(duì)對(duì)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