高速彈體侵徹下充液結(jié)構(gòu)的破壞特性及防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

高圣智，侯海量，白雪飛，李永清，李 典

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

充液結(jié)構(gòu)在高速彈體侵徹下的問題研究受到航天、兵器、船舶等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，其研究內(nèi)容主要為：一是對高速彈體侵徹下充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的水錘效應(yīng)的研究。當(dāng)高速破片侵徹充液結(jié)構(gòu)時，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成強(qiáng)烈的壓力波和液體流并作用于結(jié)構(gòu)壁面，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)大面積破口或爆裂，這種現(xiàn)象叫做水錘效應(yīng)。由于其造成的災(zāi)難性后果[1-3]，水錘效應(yīng)已被視為導(dǎo)致飛機(jī)失事的最主要因素之一[4]。在“沙漠風(fēng)暴”軍事行動中，約75%的飛機(jī)失事均與燃料箱有關(guān)[5]。針對水錘效應(yīng)問題，早在二戰(zhàn)時期就引起了美國等西方國家學(xué)者的關(guān)注，BIRKHOFF，BURT，MOUSSA 等[6-8]開展了早期的研究。近 80 年來國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的理論分析、試驗研究和數(shù)值計算，取得了豐富的研究成果。劉國繁，紀(jì)楊子燚等[9-10]做了很多工作，在這方面進(jìn)行了很好的總結(jié)。二是對高速彈體侵徹下充液結(jié)構(gòu)的破壞特性及防護(hù)技術(shù)的研究。利用液體對彈體沖擊動能的耗散作用，充液結(jié)構(gòu)可用于抵御彈體的沖擊與侵徹，大型艦船的防護(hù)液艙就是典型的代表[11-14]。在抗侵徹過程中，防護(hù)液艙后壁通常是不允許發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的，而液艙前壁可以發(fā)生破損。液艙前壁的破損吸能是液艙吸能的重要組成部分，其破損時機(jī)和程度對液艙內(nèi)的壓力波傳遞、液體流的運(yùn)動等都有重要影響，從而又會影響到液艙后壁的變形和破壞。為了減輕充液結(jié)構(gòu)的損傷破壞，國內(nèi)外學(xué)者做了一些探討，提出了相關(guān)的防護(hù)技術(shù)。例如可以通過衰減水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波壓力，以減小結(jié)構(gòu)的破損程度[15]。此外也可從破壞侵徹體角度出發(fā)，盡量吸收彈體的沖擊動能，衰減彈體的速度，從而分散載荷的密集度，避免壁面出現(xiàn)大范圍的破口[16]。

針對高速彈體侵徹下充液結(jié)構(gòu)的破壞特性和防護(hù)技術(shù)，David Townsend等[17]開展了高速破片侵徹充液結(jié)構(gòu)的沖擊實驗，觀察了在不同撞擊速度下結(jié)構(gòu)前后壁板的破壞形貌，并提出2種減小結(jié)構(gòu)損傷的技術(shù)。Disimile等[18]對大型油箱模擬器進(jìn)行打靶試驗，利用布置在油箱內(nèi)部和后壁上的7個壓力傳感器，對載荷特性進(jìn)行了深入分析，為開展充液容器的防護(hù)工作奠定了基礎(chǔ)。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過設(shè)計蜂窩結(jié)構(gòu)放置在鋁管內(nèi)部，有效地減少了鋁管的變形程度。李典等[20]通過數(shù)值仿真計算，分析了充液結(jié)構(gòu)前、后面板的破壞模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)面板不同的破壞特性，分別將面板的破壞過程劃分為幾個階段。仲強(qiáng)等[16]則從破壞侵徹體的角度出發(fā)，在液艙結(jié)構(gòu)前壁迎彈面增設(shè)抗彈陶瓷材料層，使高速彈體在進(jìn)入液艙內(nèi)部之前發(fā)生嚴(yán)重的墩粗變形，降低了彈體的侵徹性能，從而提高液艙結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

本文重點對充液結(jié)構(gòu)承受的載荷特性、變形破壞特性以及水錘效應(yīng)的衰減防護(hù)技術(shù)做詳細(xì)評述，對高速彈體侵徹下產(chǎn)生的水錘效應(yīng)的未來研究方向進(jìn)行展望。

1 高速彈體侵徹下充液結(jié)構(gòu)中水錘效應(yīng)的物理過程及彈體剩余特性

1.1 物理過程

關(guān)于水錘效應(yīng)物理過程的分析，紀(jì)楊子燚等[10]已經(jīng)開展了大量的工作，對該過程做了很好的總結(jié)。水錘效應(yīng)一般分為沖擊階段、阻滯階段、空化階段和穿出階段4個階段[18]，如圖1所示。沖擊階段是彈體侵入的初始階段，充液結(jié)構(gòu)前壁在侵入點高壓下可能發(fā)生破裂，彈體沖擊動能猛烈釋放，產(chǎn)生應(yīng)力波向四周傳播，在液體中也會形成初始沖擊波[18]。彈體入水產(chǎn)生沖擊波的過程可視為撞擊位置處的點源產(chǎn)生沖擊波的過程[21]。

圖1 水錘效應(yīng)過程Fig.1 The phases of hydrodynamic ram

在阻滯階段，彈體繼續(xù)侵入并不斷與液體發(fā)生撞擊，速度逐漸衰減；同時圓錐形的空腔已開始形成，并在空化階段不斷發(fā)展。由于阻滯階段和空化階段之間并沒有一個明顯的界限，有關(guān)這2個階段的研究內(nèi)容是統(tǒng)一的。在阻滯階段液體的運(yùn)動會產(chǎn)生徑向的壓力場，并逐漸形成空穴[4]；在空化階段空穴不斷膨脹并逐漸形成一個大的空腔，隨后空腔不斷振蕩會產(chǎn)生嚴(yán)重的壓力脈沖，對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。液體內(nèi)的壓力場分布和空腔特性是這2個階段關(guān)注的重點問題。對液體內(nèi)壓力場分布的研究從McMillen開始得到重視[22-23]，國外的 McMillen，P.C.Chou，Hopson，Disimile 等[18,22-25]，國內(nèi)的唐廷、張偉等[26-27]在這方面做了大量的工作。由于實驗中彈體參數(shù)尺寸、靶板材料和厚度不同，得到的壓力計算模型具有一定的局限性。

在穿出階段，彈體穿出后壁時會形成局部高壓，并導(dǎo)致充液結(jié)構(gòu)后壁彈孔周圍破裂[28-29]。后壁彈孔附近發(fā)生碟形變形，隨著空腔的膨脹擠壓，后壁彎曲變形增大。此外，紀(jì)楊子燚等[21]試驗中的高速攝影發(fā)現(xiàn)空腔在達(dá)到最大尺寸后開始從兩端沿軸向向中心收縮，在凹陷時有射流產(chǎn)生。

1.2 彈體剩余特性

彈體剩余特性的研究內(nèi)容包括速度衰減特性和剩余變形特性。其中彈體速度衰減特性又包括彈體在穿透結(jié)構(gòu)前壁時的速度衰減規(guī)律、彈體在水中的運(yùn)動規(guī)律以及彈體在水中的彈道穩(wěn)定性3部分內(nèi)容。早在20世紀(jì)60年代，MORSE C R等[8]進(jìn)行了關(guān)于彈體速度衰減問題的實驗研究，隨后CHOU P C等[24]進(jìn)行了相關(guān)問題的理論分析。Power等[30-31]按照背空靶板的剩余計算公式計算彈體穿透背水靶板后的剩余速度，但這種假設(shè)顯然不合理。由于靶板后的水介質(zhì)會對其抗侵徹能力產(chǎn)生影響，破片穿透充液容器壁板后的速度與穿透空背靶板不同。徐雙喜等[32]建立了分析模型探討背水靶板的穿甲過程，根據(jù)德瑪爾公式和破片穿甲的運(yùn)動方程，推導(dǎo)出破片穿透背水靶板后的剩余速度計算公式，但其假設(shè)中沒有考慮破片侵徹背水靶板時傳遞到水中的能量，對侵徹后期的絕熱剪切現(xiàn)象也未能有足夠的認(rèn)識。陳長海等[33-34]則建立了鈍頭彈高速侵徹中厚背水金屬靶板的瞬時余速計算模型，計算模型考慮了靶后水介質(zhì)的動支撐作用和動能耗散等效應(yīng)，理論計算值、實驗結(jié)果及仿真結(jié)果之間均擬合較好。關(guān)于彈體在水中運(yùn)動規(guī)律的研究，文獻(xiàn)[10]做了很好的總結(jié)。關(guān)于水下彈道穩(wěn)定性問題的研究，前期主要集中在低速魚雷的入水問題上，對于從空氣層入水的結(jié)構(gòu)物，作用在結(jié)構(gòu)物上的力的大小會影響其彈道特性[35-36]。而對于高速彈體的入水問題，較早開展這方面工作的有磯部孝、陳先富、顧建農(nóng)、張偉、Guo Zitao 等[37-41]。研究表明彈體頭部形狀會對水下彈道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，平頭彈具有較好的水下彈道穩(wěn)定性。

而對彈體的變形失效及其形成機(jī)制的研究，沈曉樂等[42]通過數(shù)值仿真進(jìn)行了中高速彈體侵徹入水的數(shù)值模擬，彈體入水后頭部發(fā)生嚴(yán)重的墩粗變形。這是因為彈體撞擊入水時存在一個變形臨界速度。當(dāng)彈體初始速度超過彈性極限速度時，即此時彈體頭部受到的壓力作用會大于彈體材料的動態(tài)屈服抗壓強(qiáng)度，從而發(fā)生墩粗變形。仲強(qiáng)等[16]對彈體的破壞模式進(jìn)行了分析，當(dāng)靶板厚度較大時，彈體內(nèi)的破壞模式會受到彈體初速、彈體頭部速度以及彈材塑性波速三者關(guān)系的影響，彈體主要發(fā)生墩粗—侵蝕破壞，如圖2所示。

圖2 實驗后所收集到的彈體變形破壞形貌[16]Fig.2 The projectile body deformation and failure morphology of the experiment[16]

2 充液結(jié)構(gòu)承受的載荷特性與變形破壞特性

2.1 載荷特性

本節(jié)所描述的載荷，不同于第1節(jié)所提到的液體內(nèi)部的壓力場。當(dāng)彈體垂直入射進(jìn)入可視為無限域的水體時，在與液體撞擊過程中不斷產(chǎn)生沖擊波壓力，但該壓力并沒有作用到結(jié)構(gòu)壁面，對該沖擊波壓力在流體中衰減規(guī)律的研究屬于水錘效應(yīng)物理過程的研究內(nèi)容，本節(jié)主要討論的是最終作用到艙室結(jié)構(gòu)或蓄液容器壁面上的壓力載荷。對艦船防護(hù)液艙結(jié)構(gòu)來說，作用到后壁上的壓力載荷是防護(hù)的重點。從仲強(qiáng)等[16]在壁面布置的壓力傳感器測得的復(fù)雜壓力信號來看，作用于壁面的壓力載荷具有多峰性，如圖3所示。

圖3 試驗所測壓力曲線[16]Fig.3 Pressure curve in the experiments[16]

根據(jù)不同時段上壓力載荷的特性，可將作用于結(jié)構(gòu)壁面上的載荷大致分為六類[16,18,28]：彈體與液體碰撞產(chǎn)生的入射沖擊波；入射沖擊波到達(dá)壁面后反射形成的反射沖擊波；液體流動引起的對壁面擠壓作用而產(chǎn)生的空化壓力載荷；彈體運(yùn)動至結(jié)構(gòu)后壁附近時其頭部與后壁之間形成的局部高壓；后壁附近區(qū)域空化引起的對壁面的二次加載壓力；空腔膨脹至最大后開始塌陷產(chǎn)生射流引起的潰滅壓力載荷。對于后壁附近區(qū)域空化引起的二次加載，這種加載現(xiàn)象和李海濤等[43]研究的在水下爆炸沖擊波作用下結(jié)構(gòu)附近局部空化引起的二次加載是相似的。這是因為彈體在液體中侵徹產(chǎn)生的沖擊波特性和水下爆炸沖擊波特性是一致的。彈體運(yùn)動至后壁之前，水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波已經(jīng)作用到結(jié)構(gòu)后壁面并發(fā)生反射，后壁面附近的壓力迅速降至負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓力達(dá)到水的空化壓力時在水和后壁面之間會形成空穴。而后水介質(zhì)在空穴的吸引下向前加速運(yùn)動，當(dāng)水介質(zhì)與壁面相接觸時，將對壁面產(chǎn)生二次加載。從空間上來看，充液結(jié)構(gòu)前、后壁面上不同位置處的載荷特性不同。李典等[28]據(jù)此對前、后壁面進(jìn)行了分區(qū)，并對各個區(qū)域建立了簡化計算模型，如圖4所示。對后壁而言，靠近撞擊點的區(qū)域Ⅰ主要承受入射沖擊波和局部高壓作用，該區(qū)域的載荷可簡化為雙三角載荷；而距離撞擊點最遠(yuǎn)的區(qū)域Ⅲ，主要承受空化壓力載荷作用，其受到的載荷可簡化為長矩形脈沖載荷。

李典等[28]對壓力峰值進(jìn)行了回歸分析，得到了前、后板所受入射沖擊波壓力峰值Pf關(guān)于傳播距離r、初速度v0的擬合關(guān)系式：

圖4 后板各區(qū)域載荷特性[28]Fig.4 Load characteristics of each division of the rear plate[28]

吳林杰等[44]在液艙后板上選取多個典型單元作為壓力測點，分析了后板載荷的空間分布特性，得到了后板載荷的擬合計算公式。液艙后板上任一點處的壓力峰值Pmax和比沖量的擬合公式如下：

式中：v為破片速度；δ為破片厚度；r為液艙后板上任一點到其中心點的距離。

彈體向前運(yùn)動的同時，因液體沿垂直于彈道方向向外運(yùn)動，結(jié)構(gòu)壁面開始受到液體的擠壓作用，該作用持續(xù)至液體停止運(yùn)動[45]。李典、仲強(qiáng)等[16,46-47]將上述液體對結(jié)構(gòu)壁面造成的擠壓載荷定義為空化壓力載荷，試驗和仿真結(jié)果顯示初始沖擊波壓力峰值大于空化載荷峰值，但由于空化載荷的作用時間更長，其比沖量遠(yuǎn)大于初始沖擊波壓力比沖量，因此空化壓力載荷是導(dǎo)致前、后面板變形破壞的主要載荷。吳曉光等[48]通過布置在充液結(jié)構(gòu)側(cè)壁的壓力傳感器，結(jié)合文獻(xiàn)[28]對沖擊載荷在結(jié)構(gòu)壁面的作用過程進(jìn)行了分析，將所測壓力時程曲線主要化分為入射沖擊波載荷和空化壓力載荷兩部分。前者峰值高、作用時間短，通常會造成壁面的局部破損，在容器體積遠(yuǎn)大于空腔膨脹體積時對結(jié)構(gòu)破壞起主要作用；后者峰值小、作用時間長，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壁面發(fā)生大面積的薄膜鼓脹變形甚至破壞，當(dāng)容器體積與空腔膨脹體積相差不大時對 結(jié) 構(gòu) 變 形 破 壞起 主 要 作 用[16,19,28,44,48]。 白 強(qiáng) 本 等[4]在模擬中發(fā)現(xiàn)部分充液結(jié)構(gòu)的損傷明顯小于完全充液結(jié)構(gòu)，但在彈體侵徹前期充水比對壁面的變形幾乎沒有影響，間接證明了該類載荷對結(jié)構(gòu)的危害性。這是因為前期的主要作用載荷為入射沖擊波載荷，而到后期主要作用載荷為液體流動產(chǎn)生的擠壓載荷。由于空氣較強(qiáng)的可壓縮性，后期在部分充液結(jié)構(gòu)中的液體會向空氣層運(yùn)動，使得擠壓載荷對壁面的作用減弱。劉雨曦等[49]同樣提出了空化壓力的概念。根據(jù)液艙前面板的變形破壞模式，推斷前面板受到空化壓力載荷的作用，并將平頭彈造成的結(jié)構(gòu)面板變形量更大的原因歸結(jié)于空化壓力的影響。相比于其他形狀的彈體，平頭彈產(chǎn)生的空腔更大，導(dǎo)致空化壓力增大，進(jìn)而對面板造成更大的塑性變形，這再次反映出空化壓力載荷對結(jié)構(gòu)的變形破壞起著重要作用。

多數(shù)學(xué)者的研究表明彈體侵徹充液結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要破壞載荷為入水產(chǎn)生的沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷[50-51]。弄清這兩類載荷在結(jié)構(gòu)壁面的作用機(jī)理，對減少因水錘效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)毀傷，設(shè)計具有更好防護(hù)性能的液艙結(jié)構(gòu)有著重要意義。由于空化壓力載荷作用時間長、范圍廣、影響因素復(fù)雜多變，針對空化壓力載荷的理論研究相對有限。

2.2 變形破壞特性

充液結(jié)構(gòu)在高速彈體侵徹下的動響應(yīng)過程和載荷特性密切相關(guān)。彈體沖擊過程產(chǎn)生的各類載荷，終將作用于結(jié)構(gòu)壁面，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。李典等[20]將充液結(jié)構(gòu)的能量耗散分為吸收、消化2個階段。液體作為中間介質(zhì)先迅速吸收彈體的沖擊動能，后在彈體排開的液體的擠壓作用下將吸收的能量逐步轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形能。充液結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)主要分為2個階段[20]：第1階段為當(dāng)彈體穿透結(jié)構(gòu)前壁與液體發(fā)生碰撞時，在液體中產(chǎn)生半球形的高強(qiáng)沖擊波。由于激波產(chǎn)生位置靠近結(jié)構(gòu)前壁，初始沖擊波壓力首先作用于撞擊點附近區(qū)域并形成反射波，結(jié)構(gòu)前壁開始向外發(fā)生凸起變形。隨后產(chǎn)生的沖擊波壓力傳遞到結(jié)構(gòu)各壁面，迫使壁面產(chǎn)生運(yùn)動[52]，結(jié)構(gòu)后壁附近出現(xiàn)局部空化，空化會導(dǎo)致出現(xiàn)二次加載現(xiàn)象，因此壁面測到的壓力信號和計算得到的壓力波均具有多峰性[28,44]。第2階段壁面在空化壓力載荷的作用下彎曲變形程度逐漸加劇。隨著彈體侵徹的深入，其周圍的液體不斷被排開，空腔得以持續(xù)膨脹，壁面持續(xù)受到壓力載荷的擠壓作用，一直到空腔達(dá)到最大尺寸[28]，隨后空腔潰滅再次產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波壓力和之前沖擊波壓力影響一樣，此時結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變形并可能還在運(yùn)動。

圖5 液艙結(jié)構(gòu)破壞過程[16]Fig.5 Damage stage of the fluid cabin structure[16]

與空結(jié)構(gòu)的破壞特性相比，充液結(jié)構(gòu)在高速彈體侵徹下的破損問題以作用于結(jié)構(gòu)壁面載荷的復(fù)雜性為主要特征，液體內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波、液體流、空化等物理現(xiàn)象，均會對結(jié)構(gòu)壁面的變形破壞產(chǎn)生影響。就破壞模式而言，空結(jié)構(gòu)壁板在高速彈體侵徹下會發(fā)生剪切沖塞破壞，通常僅在撞擊點區(qū)域附近發(fā)生變形，而其他區(qū)域往往不受影響[20]。然而，當(dāng)充液結(jié)構(gòu)遭受高速彈體侵徹時，結(jié)構(gòu)的破壞模式受彈體侵徹和液體擠壓作用共同決定[48]，當(dāng)前、后面板的厚度匹配比不同時，破壞模式也會發(fā)生變化。一般地，前面板破壞模式以整體薄膜變形和局部剪切沖塞為主，其變形過程大致可分為 2 個階段[16,20-21,49]：第 1 階段彈體穿入結(jié)構(gòu)前壁造成壁面發(fā)生剪切沖塞破壞，第2階段隨著空腔的不斷膨脹，液體對壁面造成明顯的擠壓作用，致使壁面發(fā)生膨脹變形。后面板的破壞模式主要為局部隆起-碟形-彎曲變形，其破壞過程可劃分為4個階段[20-21,29,49]：第 1 階段彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波傳遞到結(jié)構(gòu)后壁，使其發(fā)生輕微彎曲變形；第2階段當(dāng)彈體運(yùn)動至結(jié)構(gòu)后壁附近時，彈體前部的局部高壓區(qū)作用于結(jié)構(gòu)后壁，使其發(fā)生蝶形變形；第3階段當(dāng)彈體穿出后壁時致使撞擊點處隆起，碟形變形進(jìn)一步加劇；第4階段彈體穿出后壁后，隨著空腔體積不斷增大，液體繼續(xù)對壁面施加擠壓作用，壁面彎曲變形程度繼續(xù)增大。前后面板的變形均是由局部破口變形到整體的變形[46]。但是當(dāng)前、后面板厚度較薄時，前面板可能會發(fā)生失穩(wěn)凹陷變形[48]；后面板則發(fā)生薄膜鼓脹-花瓣開裂破壞。通常情況下后面板的變形破壞明顯比 前 面 板 要 嚴(yán) 重[16,47,49,53]， 這 是 因 為 在 彈 體 侵 徹 之 前 ，后面板已受到最初的高壓沖擊波和空化壓力載荷作用。

對于充液結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁面，多為較薄的鋁合金或鋼板制成。2005年Nishida等[54]對鋁合金薄壁方管進(jìn)行了沖擊試驗，研究壁板裂紋的擴(kuò)展方式，結(jié)果表明壁板材料的強(qiáng)度和子彈的直徑是最主要的影響因素。Ren Peng等[55]以結(jié)構(gòu)前、后壁面上幾個測點的應(yīng)變時程曲線為依據(jù)，探究了彈丸形狀和彈丸初速度對結(jié)構(gòu)破壞模式的影響，并建立了彈丸CRH值、彈丸動能和前后面板歸一化橫向撓度的定量關(guān)系。Varas等[53]通過試驗研究了空管和完全充水管受到高速彈體撞擊后變形的差異。試驗結(jié)果表明在未充水情況下，鋁管前后壁出現(xiàn)2個圓孔，周圍發(fā)生塑性變形。而在完全充水情況下，由于出口壁在受到彈體侵徹前就已受到預(yù)應(yīng)力的作用，導(dǎo)致出現(xiàn)花瓣開裂。從高速攝影看出充液鋁管的主要變形發(fā)生在彈體穿出鋁管后。陳照峰等[56]認(rèn)為油箱的變形主要發(fā)生在空化階段和彈體穿出階段。結(jié)構(gòu)變形破壞模式受面板厚度、彈體速度、彈體形狀、容器尺寸及充水比等因素的影響。陳亮等[57]通過數(shù)值仿真得到了不同方向侵徹下飛機(jī)油箱的整體損傷破壞云圖，結(jié)果表明液艙沖擊是造成油箱損傷的主要因素，侵徹方向?qū)τ拖涞膿p傷程度影響很大。楊硯世等[58]發(fā)現(xiàn)隨著彈體速度的增加，充液箱體內(nèi)部形成的空腔相對細(xì)長，對壁面的擠壓范圍相對狹小，所以變形直徑有所減小。

此外，針對多彈丸侵徹問題，韓璐、楊硯世、孔祥韶等[52,58-59]開展了一些數(shù)值仿真計算。韓璐等[52]研究了彈丸數(shù)量、彈丸入射間距以及彈丸入射時間間隔對結(jié)構(gòu)前、后壁變形的影響。藍(lán)肖穎等[60]開展了雙彈丸侵徹的試驗研究，主要分析了液體內(nèi)的壓力場分布規(guī)律。由于多彈丸侵徹隨機(jī)性較大，無法有效控制彈丸的間距和入射角度，目前針對多彈丸侵徹問題的研究多以數(shù)值仿真為主。

3 水錘效應(yīng)衰減防護(hù)技術(shù)

通過對充液結(jié)構(gòu)在高速彈體侵徹下受到的載荷特性與變形破壞特性展開研究，闡明了充液結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，為充液結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計提供了依據(jù)。就耗能機(jī)制而言，彈體的動能主要通過充液結(jié)構(gòu)前后壁板的穿甲作用、液體中的壓力波及液體的運(yùn)動等形式耗散[61]。據(jù)此，針對充液結(jié)構(gòu)的防護(hù)技術(shù)大致可分為3類：第1類防護(hù)技術(shù)是減小彈體在充液結(jié)構(gòu)中的侵徹能力。對于防護(hù)液艙結(jié)構(gòu)，其主要目的是保證其后方結(jié)構(gòu)和艙室的安全，盡量減少液艙內(nèi)壁的損傷破壞[16]。為了達(dá)到該目的，應(yīng)盡可能減少入射彈體的動能。目前主要做法有在結(jié)構(gòu)前壁增設(shè)抗彈陶瓷材料層，使彈體在侵徹液艙前，首先遇到抗彈陶瓷材料，并發(fā)生變形、碎裂、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動等，增大其與液體的接觸面積，改變其在液艙中的侵徹彈道，有效減小其在液艙中的侵徹能力，從而實現(xiàn)抵御高速彈體侵徹的目的。仲強(qiáng)等[16,46]針對陶瓷/液艙復(fù)合結(jié)構(gòu)開展了試驗研究和數(shù)值仿真計算，利用陶瓷的高硬度和高強(qiáng)度特點對彈體進(jìn)行侵蝕墩粗，提前降低彈體的入水速度，增大彈體在水中運(yùn)動的阻力，從而減少了傳遞給充液結(jié)構(gòu)的能量。

圖6 液艙結(jié)構(gòu)動響應(yīng)與破壞過程Fig.6 Dynamic response and failure process of the fluid cabin structure

第2類防護(hù)技術(shù)是衰減充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沖擊波壓力，吸收液體中的沖擊波能。作為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，在傳播路徑上提前對沖擊波壓力進(jìn)行衰減，可減輕作用在結(jié)構(gòu)壁面上的沖擊波壓力載荷，這方面已開展了很多研究。David等[17]提出2種減輕水錘效應(yīng)對充液容器破壞的方法，一種是在容器內(nèi)部放置多個由輕質(zhì)塑料和鋁材制成的薄板，利用阻抗差異使沖擊波壓力在傳遞過程中發(fā)生明顯衰減；另一種是向充液容器內(nèi)通入氣體，從而在容器內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的氣泡，利用沖擊波與氣泡相互作用發(fā)生反射和透射，致使沖擊波分散。2種方法本質(zhì)上都是利用波阻抗的差異，使沖擊波在傳播過程中發(fā)生反射形成稀疏波。之后，Disimile等[15]在液體中布置多層具有三角形截面的桿件，使波之間相互發(fā)生干擾，從而顯著地衰減了初始沖擊波壓力，削弱了入射沖擊波對結(jié)構(gòu)后板的破壞?；谶@一思想，并結(jié)合一維應(yīng)力波理論，李營等[51]利用不同介質(zhì)之間較大的波阻抗差異，在液體中加入空氣夾層，沖擊波在遇到空氣夾層時會反射產(chǎn)生稀疏波，從而有效降低了充液容器的塑性變形。此外，彈體侵徹充液結(jié)構(gòu)過程中還會產(chǎn)生滯后流載荷，利用空氣夾層結(jié)構(gòu)易發(fā)生塑性變形的特性吸收液體中的沖擊波能，可減弱滯后流對結(jié)構(gòu)壁面的作用效果?？紫樯氐萚62]在液艙內(nèi)部加設(shè)橡膠材料，利用材料之間波阻抗的差異，應(yīng)力波在其界面處形成反射波，從而有效減輕了液艙結(jié)構(gòu)的毀傷程度。

圖7 四個安裝在油箱模擬器內(nèi)部的衰減裝置[15]Fig.7 Four mitigation members installed within fuel tank simulator[15]

第3類防護(hù)技術(shù)是減輕液體流動造成的對結(jié)構(gòu)壁面的擠壓作用，增加充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量的耗散。對于燃料箱結(jié)構(gòu)，其主要目的是保證箱體的完整性，防止油箱結(jié)構(gòu)發(fā)生爆裂。為了達(dá)到該目的，應(yīng)盡可能阻礙液體運(yùn)動，以減少其對壁面的擠壓作用，提前耗散傳遞給結(jié)構(gòu)壁面的能量。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過在鋁管內(nèi)部安置胞元朝向不同的蜂窩結(jié)構(gòu)以限制空腔的膨脹，從而限制了液體的流動。同時鋁管內(nèi)部的蜂窩胞元又能夠吸收液體的壓力波能和動能，使傳遞至鋁管壁面的能量大大減少。最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式可使鋁管膨脹體積減少54%，從而大幅度減少結(jié)構(gòu)的變形破壞。蔡斯淵等[63]對不設(shè)置隔層、設(shè)置雙層板隔層和設(shè)置波紋夾芯版隔層的3種液艙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行防護(hù)能力的對比分析，結(jié)果表明設(shè)置隔層能起到減小液艙結(jié)構(gòu)后板變形的效果，能使液艙結(jié)構(gòu)承受更大的沖擊載荷，且波紋夾芯板隔層的防護(hù)效能更好，這是因為波紋板吸能效果更好。由于爆炸沖擊波和水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波本質(zhì)上是一致的，這種抵御爆炸沖擊波載荷的方法在充液結(jié)構(gòu)抵御高速彈體侵徹領(lǐng)域同樣適用。侯海量等[64]在液艙結(jié)構(gòu)前壁設(shè)置泄壓孔，液艙在遭受高速彈體侵徹時該孔會打開，使艙內(nèi)液體泄漏一部分，從而減輕液體流動造成的擠壓作用。

水錘效應(yīng)的衰減防護(hù)技術(shù)是基于水錘效應(yīng)引起的壓力載荷的作用機(jī)理，彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷被視為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，因此目前有關(guān)水錘效應(yīng)衰減防護(hù)技術(shù)主要是圍繞衰減入射沖擊波載荷和空化壓力載荷。

圖8 三種保護(hù)結(jié)構(gòu)切平面圖[19]Fig.8 Images of the cut plane of each protected configuration[19]

4 結(jié) 語

相比空氣介質(zhì)而言，液體介質(zhì)具有高密度和不可壓縮的特點，導(dǎo)致其與空氣具有截然不同的載荷傳遞和耗散特性。對于彈體侵徹類局部集中強(qiáng)沖擊載荷具有遠(yuǎn)大于空氣的耗散效率[32,42]。液體介質(zhì)可以通過水錘效應(yīng)將彈丸動能轉(zhuǎn)化為壓力波和液體流[1-2,18]，將局部集中沖擊載荷耗散為分布式壓力載荷和空化擠壓載荷[16,28]，從而分散沖擊能量的時空分布密集度[44]。因此，利用液體對彈體沖擊動能的耗散作用，液艙結(jié)構(gòu)可用于抵御彈體的沖擊與侵徹[20,48]。液艙結(jié)構(gòu)在抵御大質(zhì)量破片群侵徹的同時，還要盡可能減少其自身重量，實現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的輕量化。以往的研究表明，彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波和侵徹后期由于空腔膨脹產(chǎn)生的空化壓力載荷是造成充液結(jié)構(gòu)損傷的主要載荷，因此在進(jìn)行液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先要考慮如何更有效地衰減沖擊波載荷和空化壓力載荷，目前采取的措施是在充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置阻抗相差較大的隔層或抑制空腔膨脹的蜂窩結(jié)構(gòu)。此外，選用吸能性能更好的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)型用于液艙防護(hù)結(jié)構(gòu)，同樣可達(dá)到減少結(jié)構(gòu)損傷的效果。針對上述科學(xué)問題，目前尚存在幾方面問題有待進(jìn)一步開展：

1）關(guān)于空化擠壓載荷特性問題的研究。空化壓力載荷作為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，必須明確其載荷特性。而目前的研究對初始時刻產(chǎn)生的沖擊波壓力已經(jīng)得到一些計算公式，數(shù)值模擬也較為準(zhǔn)確，而對空化壓力載荷的作用規(guī)律以及充液結(jié)構(gòu)對空化壓力載荷的耗散特性認(rèn)識還不是很清楚，也未建立相關(guān)的計算方法。同時，水錘效應(yīng)產(chǎn)生的載荷和結(jié)構(gòu)之間是強(qiáng)流固耦合問題，自由液面對空化擠壓載荷的影響也需要進(jìn)一步的研究。

2）關(guān)于數(shù)值模擬的流固耦合問題。數(shù)值仿真中的彈體尺寸很小，流體作為中間介質(zhì)既要實現(xiàn)和破片的有效耦合，又要和充液結(jié)構(gòu)有效耦合是比較困難的。同時在水錘效應(yīng)中流體作用時間很長，數(shù)值計算時間過長易出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象，導(dǎo)致計算的終結(jié)。為了保證計算的順利進(jìn)行，這些問題必須要解決。同時，目前得到仿真計算結(jié)果還只能用作科學(xué)問題研究的定性分析，還無法定量地去計算壓力載荷大小、破口尺寸、變形區(qū)域等物理量。尤其對于某些物理過程，如空腔的反復(fù)膨脹、潰滅過程的模擬還比較困難，仍需要進(jìn)一步發(fā)展。

3）關(guān)于充液結(jié)構(gòu)防護(hù)技術(shù)問題的研究。目前已經(jīng)開展了一些研究，比如在充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充一些衰減沖擊波或者吸能較好的材料、在液艙結(jié)構(gòu)后壁粘貼橡膠材料等，起到了一定的衰減防護(hù)效果。但目前這方面的研究仍處于初步探討階段，對其破壞特性和耗能機(jī)理認(rèn)識還不夠深入，距離設(shè)計計算方法的提出與實際工程應(yīng)用還有很長的路要走。

4）關(guān)于多彈丸侵徹問題的研究。在實際工程背景下，防護(hù)液艙不只會受到單個彈丸的作用，多數(shù)情況下會遭受高速破片群的作用。而目前關(guān)于多彈丸侵徹問題研究仍比較少，這是因為試驗和數(shù)值仿真的開展都比較困難。試驗方面，由于多彈丸侵徹的影響因素較多，比如多彈丸的發(fā)射技術(shù)較難控制彈丸的間距、飛散角度、速度等；而數(shù)值仿真中又存在彈丸和流體耦合的問題，尤其對于多彈丸，需要保證每個彈丸均和流體有效耦合，這對網(wǎng)格的劃分、流固耦合的設(shè)置等提出了更高的要求，因此關(guān)于多彈丸侵徹對水錘效應(yīng)造成的影響還有待研究。