高速破片撞擊充液容器時(shí)容器壁面的損傷

馬麗英，李向東，周蘭偉，藍(lán)肖穎，宮小澤，姚志軍

(1. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001)

當(dāng)高速侵徹體(如子彈或戰(zhàn)斗部的破片)穿透裝有液體容器(如油箱、油罐車(chē)、輸油管道等[1-3])壁面并進(jìn)入液體時(shí)，在液體中形成很強(qiáng)的壓力脈沖，并以沖擊載荷的形式作用于容器結(jié)構(gòu)上，使容器結(jié)構(gòu)所受載荷突升，如果容器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不夠，就會(huì)出現(xiàn)變形、裂紋或者解體破壞，這就是液壓水錘現(xiàn)象。液壓水錘效應(yīng)[4]是引起油箱失效一個(gè)重要因素，而油箱是飛機(jī)的重要功能部件之一，所以液壓水錘效應(yīng)是飛機(jī)油箱設(shè)計(jì)者需要考慮的重要問(wèn)題。

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[5]重點(diǎn)討論了沖擊階段的箱體響應(yīng)情況，并用SATANS代碼計(jì)算了箱體的響應(yīng)情況。但是SATANS代碼對(duì)液壓水錘的計(jì)算具有一定局限性，它沒(méi)有考慮材料的非線性和剪切效應(yīng)，只分析一種理想材料在水錘作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。Disimile等[6]對(duì)水錘效應(yīng)的各個(gè)階段進(jìn)行了分析，在液體中布置傳感器，結(jié)合高速攝像技術(shù)，得到3種不同材料破片以300～400 m/s速度撞擊充液容器形成液壓水錘作用的各個(gè)階段壓力分布規(guī)律、大小及作用方式，但未對(duì)液體與固體之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析。Charles等[7]使用EUROPLEXUS代碼模擬油箱在遭受破片撞擊之后，水中氣腔膨脹和坍塌的過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這些成果可以用來(lái)評(píng)估破片傳遞給水的能量多少及對(duì)油箱結(jié)構(gòu)造成的破壞程度，但由于計(jì)算模型簡(jiǎn)化太多，導(dǎo)致負(fù)載各向異性，造成能量丟失。Varas等[8-11]通過(guò)用速度為600～900 m/s的鋼質(zhì)球形破片(直徑為12.5 mm)撞擊充液的鋁合金(6063-T5)方管，模擬了機(jī)翼油箱受到撞擊的情況，但沒(méi)有揭示破片動(dòng)能對(duì)方管變形的影響。Nishida等[12]研究了破片直徑和箱體材料特性對(duì)水錘作用下壁面裂紋和破壞的影響，得到鋁合金管壁面上出現(xiàn)裂紋的極限速度與箱體的極限強(qiáng)度、破片直徑有關(guān)。該研究主要集中于速度為20～400 m/s的破片，未對(duì)高速破片撞擊下的箱體響應(yīng)進(jìn)行研究。Kwon等[13-14]對(duì)充液油箱在破片撞擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了破片撞擊油箱后沒(méi)有穿透油箱后壁面的情況下油箱結(jié)構(gòu)的響應(yīng)過(guò)程，分析了油箱液面高度、液體密度、油箱材料性能、破片質(zhì)量和速度等參數(shù)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，但沒(méi)有對(duì)該過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)，蔣運(yùn)華等[15]、張偉等[16]和郭子濤等[17]主要研究了彈體的水中彈道軌跡、氣腔形狀及彈體頭部形狀對(duì)入水彈道穩(wěn)定性的影響。而近年來(lái)，關(guān)于水錘效應(yīng)對(duì)容器結(jié)構(gòu)的毀傷研究逐漸增多，李典等[18]和仲?gòu)?qiáng)等[19]研究了圓柱形鈍頭破片撞擊液艙后液艙內(nèi)的壓力變化及破片變形情況。

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(chē)、輸油管道等)的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供參考。

葉靄玲沒(méi)有白麗筠長(zhǎng)得好看。她們都曾是我的同學(xué)，白麗筠是小學(xué)同學(xué)，葉靄玲是中學(xué)同學(xué)。我湊在她的耳畔說(shuō)，你忘了吧，葉靄玲，今天是你的生日。葉靄玲放下手里的編織物，側(cè)頭凝想，那目光似乎在說(shuō)，算了吧，顧明星，難為你還記得我的生日，可是我的生日我自己記得呢，用不著別人提醒。

1 高速破片撞擊充液容器的數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)

1.1 有限元模型的建立

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(mǎn)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(pán)、前后面板、圓筒組成。其中，圓筒材料為鋼，外徑為130 mm，內(nèi)徑110 mm，高98 mm。圓筒前后壁面為180 mm×180 mm×4 mm的2024 T4鋁合金板。用壓盤(pán)將鋁合金板固定在圓筒兩側(cè)，壓盤(pán)內(nèi)徑為105 mm，外徑180 mm，厚度14 mm，破片是鎢球。使用LS-DYNA對(duì)高速破片撞擊充液容器的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

數(shù)值模擬時(shí)，采用Johnson Cook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Plastic Kinematic模型描述破片材料，材料參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 前后面板材料參數(shù)Table 1 Material parameters of front and rear walls

注：ρ-密度，E-彈性模量，μ-泊松比，A-屈服強(qiáng)度，B-應(yīng)變硬化洗漱，C-應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)，n-應(yīng)變硬化指數(shù)，m-溫度相關(guān)系數(shù).

表2 Grüneisen狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Parameters of Grüneisen EOS

表3 破片材料參數(shù)Table 3 Material parameters of fragment

用Null模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述水。用Null模型和Linear Polynomial狀態(tài)方程描述空氣，其中壓力由式(1)定義：

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(1)

充液容器前壁面距破片入射點(diǎn)3 cm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10 000 J時(shí)，前壁面的變形為0.79 cm為破片撞擊動(dòng)能為2 000 J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27 μs。

用剛體模型來(lái)描述壓盤(pán)和圓筒。鎢球、前后面板、壓盤(pán)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 (Arbitrary Lagrange-Euler)方法進(jìn)行耦合。

表4 水和空氣的主要材料參數(shù)表Table 4 Material parameters of water and air

1.2 高速破片撞擊充液容器實(shí)驗(yàn)

撞擊動(dòng)能為7 000 J的高速破片撞擊充水容器過(guò)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。

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(lái)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(pán)、前后面板、圓筒和螺桿組成。容器尺寸同上，用壓盤(pán)將鋁合金板固定在圓筒兩側(cè)，通過(guò)螺栓壓緊固定。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置及布置示意圖Fig.2 Experiment device and layout diagram

圖3 充液容器實(shí)物圖Fig.3 Liquid-filled vessel

前后壁面上距破片入射點(diǎn)3 cm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)3 cm處單元上時(shí)具有2.7 MPa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3 cm處的最大壓力為13 MPa。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)3 cm處壓力在50.5 μs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。67.5 μs時(shí)破片頭部高壓區(qū)內(nèi)壓力開(kāi)始作用于容器后壁面，此時(shí)液體壓力為75.8 MPa，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(kāi)始下降。

撞擊動(dòng)能為1 191、4 667和9 792 J破片撞擊充滿(mǎn)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?？梢钥闯觯破形恢锰幍娜萜鞅诿娴淖冃瘟坎皇且云破矒酎c(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?chē)?，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)。

共進(jìn)行25發(fā)試驗(yàn)，剔除無(wú)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)。

表5 部分實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果表Table 5 Part of the experimental situation and results

注：m-破片質(zhì)量，v0-破片撞擊速度，vr-破片穿出容器后剩余速度，E0-破片撞擊動(dòng)能，δf-前壁面最大變形量，δr-后壁面最大變形量

圖4 前后面板毀傷情況(實(shí)驗(yàn)和三維掃描)Fig.4 Front and rear walls damage (experiment and three-dimensional scan)

1.3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

選取撞擊動(dòng)能為1 191、4 667和9 792 J的破片撞擊充液容器的過(guò)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(shuō)明有限元模型的建立和材料參數(shù)的選取比較合理。

表6 試驗(yàn)與數(shù)值仿真中破片剩余速度對(duì)比Table 6 Comparison of residual velocities in experiment and numerical simulation

撞擊動(dòng)能為1 191、4 667和9 792 J破片撞擊充滿(mǎn)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。可以看出沿破片入射方向，破片撞擊動(dòng)能為1 191 J時(shí)，充液容器的前后壁面上只有圓孔沒(méi)有出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象；破片撞擊動(dòng)能為4 667 J時(shí)充液容器前壁面向外凸起但圓孔周?chē)鷽](méi)有出現(xiàn)裂紋，后壁面不僅向外凸起并且圓孔周?chē)霈F(xiàn)裂紋；破片撞擊動(dòng)能為9 792 J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?chē)霈F(xiàn)小裂紋且后壁面呈花瓣式開(kāi)裂?？梢?jiàn)，隨著破片撞擊動(dòng)能的增加，前后壁面的破壞越來(lái)越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果中的壁面毀傷情況吻合。

圖5 前后面板毀傷情況(實(shí)驗(yàn)與仿真)Fig.5 Front and rear walls damage (experiment and numerical simulation)

2 高速破片撞擊充液容器過(guò)程中前后壁面所受載荷及分布

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(guò)改變破片速度計(jì)算不同動(dòng)能(2 000～10 000 J，間隔為1 000 J)破片撞擊充滿(mǎn)水的容器的過(guò)程。

2.1 破片撞擊充液容器時(shí)前后壁面上的載荷分布

1.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖6 前后壁不同位置處峰值壓力曲線Fig.6 Front and rear wall pressure changes with distance

1.2.2實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果分析

本次測(cè)查單從結(jié)果上看，正確率高達(dá)90%，但分析學(xué)生的想法，只有31.7%的學(xué)生能從相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)單位之間的進(jìn)率或十等分的角度思考，說(shuō)明學(xué)生對(duì)于在“數(shù)線上標(biāo)小數(shù)”的實(shí)際能力不容樂(lè)觀。常犯的錯(cuò)誤有三種：（1）忽略數(shù)線所給定的參考點(diǎn)，直接將一小格當(dāng)作1；（2）數(shù)格子的方法錯(cuò)誤；（3）直接將一小格當(dāng)作0.1。其中第三種錯(cuò)誤最普遍，水平1～3共65%的學(xué)生犯了這個(gè)錯(cuò)誤。

采用316牌號(hào)的不銹鋼鋼帶制作切刀，鋼帶厚度為2mm，切削邊磨刃，制成后的形狀如圖3所示。兩個(gè)切刀制作成形后對(duì)稱(chēng)焊合在切刀固定套上，固定套上設(shè)有安裝孔，與電機(jī)軸配合，通過(guò)螺絲定位和固定。切刀做成彎曲的“L”形狀，在2 800r/min高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能通過(guò)離心作用形成風(fēng)力，將剪掉的煙苗碎葉輸送到集葉袋中；同時(shí)，能在月牙形吸口處形成負(fù)壓，將倒伏的煙苗吸直，便于切削。切刀剪切示意圖如圖4所示，切刀彎曲形成的夾角α取值直接關(guān)系到切削效果，為使切削過(guò)程中刀刃先與煙苗接觸，避免刀刃后部與煙苗高速碰撞，造成煙苗損傷，其取值應(yīng)滿(mǎn)足

圖7 不同階段壓力變化曲線Fig.7 Pressure change curve in different stages

選取作用于容器前壁面上距破片撞擊點(diǎn)2、3和4 cm處的壓力時(shí)間曲線如圖8所示。從圖中可以看出2 cm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4 cm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(shuō)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4 cm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)2 cm處壓力為4 cm處的1.31倍。說(shuō)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4 cm處的壓力大于3 cm處的壓力。

圖8 前壁面不同位置處壓力時(shí)間曲線Fig.8 Pressure time curve at the different positions of the front wall

圖9 后壁面不同位置處壓力時(shí)間曲線Fig.9 Pressure time curve at the different positions of the rear wall

圖10 壓力動(dòng)能曲線Fig.10 Pressure-kinetic energy curve

2.2 破片動(dòng)能對(duì)容器前后壁面所受最大載荷的影響

圖11為撞擊動(dòng)能為7 000 J的破片撞擊充液容器過(guò)程中容器前后壁面的變形情況，可以看出9 μs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(wú)變形，9 μs后前壁面開(kāi)始產(chǎn)生外凸變形。66 μs后(破片在充液容器中)，容器后壁面開(kāi)始出現(xiàn)變形，前壁面變形量為2.74 mm。容器前壁面的最大變形量出現(xiàn)于破片穿出充液容器后90 μs，最大變形量為11.42 mm。破片穿出容器163 μs時(shí)，后壁面的最大變形量最大，為20.15 mm，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(shuō)明高速破片撞擊充液容器過(guò)程中，容器前壁面先開(kāi)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。

左無(wú)名靜脈胸腺內(nèi)走行漏診主要原因是：大家普遍不會(huì)關(guān)注胸腺結(jié)構(gòu)；偶爾看到胸腺內(nèi)血管，因?yàn)閷?duì)左無(wú)名靜脈認(rèn)識(shí)不足，也不能明確診斷。

3 容器壁面的響應(yīng)

3.1 前后壁面的變形情況

作用于充液容器前后壁面距破片入射點(diǎn)3 cm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4 000 J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6 000 J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10 000 J)。

(3) 實(shí)踐中，Q系統(tǒng)支護(hù)圖表是基于經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法的擬定支護(hù)參數(shù)建議值，最終應(yīng)用于實(shí)際工程中的參數(shù)可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整通常傾向于保守的考慮。

圖11 容器前后壁面的變形情況(單位：mm)Fig.11 Deformation of the front and rear walls change with time (unit: mm)

3.2 破片動(dòng)能對(duì)前后壁面距破片撞擊點(diǎn)3 cm處變形量的影響

破片撞擊動(dòng)能為7 000 J時(shí)容器前后壁面上距離破片撞擊點(diǎn)3 cm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(wú)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(kāi)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(kāi)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。

圖12 前后壁面變形量時(shí)間曲線Fig.12 Front and rear walls displacement time curve

式中：C0～C6為常數(shù)；μ=1/V-1，V為相對(duì)體積；E為初始體積內(nèi)能。當(dāng)C0=C1=C2=C3=C4=C5=0，C4=C5=γ-1時(shí)，即用符合γ律狀態(tài)方程的氣體模型來(lái)表征空氣，γ為比熱系數(shù)。主要材料參數(shù)見(jiàn)表4。

1944年底，為逃避武漢大轟炸，全家躲到鄉(xiāng)下父親的朋友家。農(nóng)歷臘月小年這一天，父親自知挺不過(guò)去了，囑咐家人將他移至小柴房里。當(dāng)時(shí)，姐姐告訴他，漢口大屋被炸毀了。她問(wèn)父親：“哪里難過(guò)？”父親回答：“年難過(guò)！”父親死前清醒，不言不語(yǔ)，所有苦難都?jí)涸谛睦铮驮谛∧赀@天咽的氣。

后壁面距破片入射點(diǎn)3 cm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10 000 J時(shí)，后壁面的變形為1.27 cm，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。

圖13 前壁面變形量時(shí)間曲線Fig.13 Front wall displacement time curves

圖14 后壁面變形量時(shí)間曲線Fig.14 Rear wall displacement time curves

3.3 破片動(dòng)能對(duì)容器前后面板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δf為充液容器前壁面的變形量，δr為充液容器后壁面的變形量。從圖中可以看出充液容器的前后壁面的最大變形量隨破片動(dòng)能的增加而增大。在1 191 J8 152 J時(shí)，充液容器后壁面的變形量約為前壁面變形量的3.17倍。說(shuō)明在E0<8 152 J時(shí)，充液容器后壁面的破壞程度比前壁面嚴(yán)重；在E0≥8 152 J即充液容器前壁面出現(xiàn)裂紋后，后壁面的變形量雖然也在增加，但與前壁面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋的情況相比變形量增加的幅度減小。

圖15 破片撞擊動(dòng)能與充液容器前后壁面變形量的關(guān)系圖Fig.15 Relationship between the kinetic energy of the fragment and the deformation of the front and rear wall

3.4 破片動(dòng)能對(duì)前后面板上出現(xiàn)的裂紋數(shù)量的影響

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1 191 J時(shí)充液容器后壁面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋外，其他能量(E0>1 191 J)的破片撞擊充液容器后，充液容器后壁面全部出現(xiàn)外凸并開(kāi)裂，壁面裂紋數(shù)量也與破片撞擊動(dòng)能有關(guān)。破片撞擊動(dòng)能越高，壁面出現(xiàn)的裂紋數(shù)量越多。充液容器的后壁面出現(xiàn)裂紋所需要的能量較小，約為1 191 J；充液容器前壁面出現(xiàn)裂紋的臨界能量約為8 152 J。說(shuō)明破片撞擊充液容器過(guò)程，后壁面更容易破壞，且后壁面的損傷比前壁面的損傷更嚴(yán)重。

圖16 充液容器前后壁面的裂紋數(shù)量與破片撞擊動(dòng)能關(guān)系Fig.16 Relationship between the kinetic energy of the fragment and the number of cracks in the front and rear walls

充液容器的毀傷程度主要是通過(guò)容器的漏液量來(lái)衡量的。高速破片撞擊充液容器過(guò)程中，充液容器前后壁面均未出現(xiàn)裂紋時(shí)，容器通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)改變破片撞擊速度的角度來(lái)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、破片尺寸、形狀及容器邊界)對(duì)壁面的毀傷的影響將在后續(xù)的研究中進(jìn)行。

導(dǎo)生仍然是學(xué)生，他們有自己的學(xué)習(xí)任務(wù)，所以在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，不能過(guò)分依賴(lài)導(dǎo)生，注意把握好導(dǎo)生協(xié)助教學(xué)的尺度：一是不能過(guò)多占用導(dǎo)生的學(xué)習(xí)時(shí)間；二是對(duì)導(dǎo)生的利用僅限于協(xié)助教學(xué)，不能把課堂上出現(xiàn)的其他問(wèn)題讓導(dǎo)生處理；三是教育導(dǎo)生處理好與同學(xué)的關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)擺桿角度和小車(chē)位移的高精度控制，對(duì)倒立擺角度的控制同時(shí)要兼顧對(duì)小車(chē)位移的控制，假定系統(tǒng)的補(bǔ)償輸入是以小車(chē)位移為輸入通過(guò)兩個(gè)相同的改進(jìn)型ESO的擾動(dòng)作用之和來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型ADRC結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高速破片撞擊前后壁面為4 mm厚的Al 2024 T4的圓筒形充液容器形成液壓水錘的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：(1) 高速破片撞擊充液容器形成液壓水錘過(guò)程中，水錘效應(yīng)對(duì)充液容器前后壁面的破壞程度可分為3個(gè)等級(jí)，即充液容器前后壁面均未出現(xiàn)裂紋、前壁面出現(xiàn)裂紋而后壁面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和前后壁面均出現(xiàn)裂紋且后0.壁面呈花瓣式開(kāi)裂的情況；(2) 液壓水錘作用過(guò)程中，充液容器的前后壁面的最大變形量隨破片撞擊動(dòng)能(E0)的增加而增大。在1 191 J8 152 J時(shí)，充液容器后壁面的變形量約為前壁面變形量的3.17倍。充液容器后壁面比前壁面的破壞更嚴(yán)重；(3) 破片撞擊動(dòng)能越高，充液容器壁面出現(xiàn)的總裂紋數(shù)量越多。