破片沖擊作用下油箱動力學響應(yīng)行為實驗研究

賈豪博, 任柯融, 卿 華,張景飛, 徐文濤, 唐光武

(1.鄭州大學 力學與安全工程學院,鄭州 450000;2. 空軍工程大學 航空機務(wù)士官學校, 河南 信陽 464000;3. 國防科技大學 理學院, 長沙 410008;4. 招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司 橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學國家重點實驗室, 重慶 400067)

0 引 言

當破片以極高的速度穿透充液結(jié)構(gòu)時,會在液體中形成強烈的壓力波并作用在充液結(jié)構(gòu)上,使充液結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重的物理變形、甚至破壞,這就是水錘效應(yīng)[1]．油箱作為飛機易損部件中暴露面積最大的一部分,其內(nèi)部往往裝載有大量的液體燃油,研究油箱在高速破片沖擊下的結(jié)構(gòu)動力學響應(yīng)機理對于飛機油箱部件的易損性研究具有重要意義．

自20世紀70年代開始,國內(nèi)外學者對油箱在高速破片沖擊下的毀傷效應(yīng)展開了一系列的實驗研究．Nishida等[2]使用不同尺寸的球形破片撞擊充水鋁合金方管,研究了壁板裂紋擴展形式與破片尺寸之間的關(guān)系．Deletombe等[3]使用7.62 mm的射彈進行了射擊實驗,研究了射彈在穿透液體時引起的空腔形狀,并對液體內(nèi)瞬態(tài)沖擊波的壓力進行了測量．馬麗英等[4]通過彈道槍實驗研究了油箱內(nèi)液體種類對油箱毀傷的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)液體密度是主要的影響因素．張偉和黃威等[5-6]開展了破片低速沖擊試驗,主要關(guān)注的是破片速度衰減、形成的空腔形態(tài)以及沖擊波衰減規(guī)律．近些年來也有不少學者使用數(shù)值模擬的方法對油箱的結(jié)構(gòu)破壞響應(yīng)進行了分析,解江等[7]使用有限元軟件LS-DYNA對沖擊爆炸載荷下鋁合金板的動態(tài)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬．張宇等[8]使用SPH單元進行建模,分析了球型破片沖擊對不同形狀油箱的毀傷效應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著破片入射速度增大,油箱的形狀對油箱抗毀傷能力的影響不斷減小．Kwon等[9-10]使用ALE方法進行模擬,分析了破片質(zhì)量、速度、入射角度及液體充液量等因素對水錘效應(yīng)的影響．楊硯世等[11]模擬了多枚破片沖擊油箱時產(chǎn)生的水錘效應(yīng),分析了多枚破片入射間距對油箱毀傷的影響規(guī)律．陳照峰等[12]、李亞智等[13]也針對射彈沖擊充液油箱過程進行了研究,結(jié)果表明,充液油箱相比于空油箱而言,其在受到破片沖擊時的物理毀傷效果更為嚴重．

目前對于高速破片沖擊油箱的問題主要集中于研究破片尺寸、數(shù)量、入射方向,液體種類以及油箱形狀等方面對油箱破壞效應(yīng)的影響,針對油箱結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形與破壞機理探討較少．本文開展了油箱的彈道沖擊實驗,利用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation technique,簡稱DIC技術(shù))測試了后壁板的位移、應(yīng)變歷史,研究了油箱在955～1 667 m/s的破片沖擊速度下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與破壞模式,可為油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與防護提供參考．

1 實 驗 設(shè) 計

使用尺寸為φ10 mm×10 mm的圓柱形45#鋼破片進行彈道槍實驗,實驗時破片以955～1 667 m/s的速度沖擊油箱,實驗裝置主要包括彈道槍、擋托裝置、測速靶、油箱和高速攝像機,實驗現(xiàn)場布置如圖1所示．實驗時使用彈道槍發(fā)射破片;使用擋托裝置攔截彈托,防止彈托擊打在油箱上,入射速度由測速靶測量;油箱是由2塊2 mm厚(前后壁板)和4塊3 mm厚(側(cè)壁板)的2024鋁合金鉚接而成,其尺寸為440 mm×190 mm×416 mm．油箱為滿油狀態(tài),內(nèi)部充填航空煤油．油箱前后壁板和側(cè)壁板之間用5052鋁合金鉚釘連接,側(cè)壁板之間用304L不銹鋼鉚釘連接,鉚釘直徑均為4 mm;使用3臺高速攝像機記錄整個實驗過程,其中一臺攝像機位于油箱右前方45°處,觀察油箱前壁板的變形,兩臺攝像機位于油箱后方,觀察油箱后壁板的變形情況．在實驗中,破片以955～1 667 m/s的速度發(fā)射,破片的入射瞄準點位于油箱正上方位置,如圖1所示,通過調(diào)整射彈裝藥量來控制破片入射速度．共進行4次高速破片沖擊實驗,實驗工況如表1所示．

圖1 實驗布置圖Fig. 1 The experimental layout

表1 實驗工況

由于破片沖擊作用下油箱的動態(tài)響應(yīng)時間非常短(通常在μs量級),傳統(tǒng)應(yīng)變片測試技術(shù)難以監(jiān)測到油箱箱體在空間上的動態(tài)響應(yīng)過程,因此采用DIC技術(shù)[14-15]對油箱后壁板的動態(tài)響應(yīng)過程進行了記錄．DIC技術(shù)需要使用兩臺高速攝像機對同一塊壁板進行同步記錄,位置如圖1中的高速攝像機2號、3號所示．實驗前在油箱后壁板表面噴涂隨機黑白散斑,同時使用矯正板拍攝矯正圖像,確保圖像精度,如圖2、圖3所示．在實驗結(jié)束后使用數(shù)字圖像相關(guān)算法,通過追蹤散斑內(nèi)像素點位置隨時間的變化,進而得到后壁板散斑區(qū)域的位移與應(yīng)變數(shù)據(jù)[16]．

圖2 隨機散斑圖3 矯正板Fig. 2 Random specklesFig. 3 The straightening plate

2 結(jié)果與討論

2.1 不同破片入射速度下油箱變形特征

圖4給出了破片在不同入射速度下油箱前后壁板的損傷尺寸,圖5給出了油箱實驗前后壁板的損傷形貌．通過對比油箱前后壁板損傷尺寸,發(fā)現(xiàn)油箱前壁板的損傷形式主要為直徑15～18 mm的圓形破孔; 油箱后壁板主要損傷形式為花瓣形開裂、 并伴隨有大面積翹曲變形, 且裂紋尺寸隨著破片入射速度的增大而增大．破片入射速度較小時,裂紋尺寸也較小,隨著破片入射速度的增大,裂紋不斷向外擴展,當破片入射速度增大到1 364 m/s時,平均損傷尺寸增大到125 mm,當破片入射速度增大到1 667 m/s時,平均損傷尺寸增大到251 mm．這說明了在沖擊條件一定時,隨著破片入射速度的提高,破片對油箱箱體有著更強的毀傷效果．

(a) v=955 m/s (b) v=1 195 m/s

(c) v=1 364 m/s (d) v=1 667 m/s圖5 油箱前后壁板損傷形貌Fig. 5 Damage morphologies of the front and rear walls of the oil tank

2.2 后壁板動態(tài)響應(yīng)

通過實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),油箱后壁板的毀傷程度是油箱箱體結(jié)構(gòu)中最嚴重的一部分,因此下面著重對后壁板的動態(tài)響應(yīng)行為進行分析．圖6給出了破片入射速度為1 195 m/s時破片穿出油箱后,后壁板不同時刻所拍攝的高速攝影圖像以及使用三維DIC方法得到的后壁板z軸方向的位移云圖,由于破片射出過程中攜帶了部分的煤油對攝像頭進行了遮擋,因此DIC位移云圖中有一塊空白區(qū)域沒有數(shù)據(jù)．圖6的t=0 ms時刻為破片穿出油箱后壁板的時刻．

從圖6可以看出,油箱后壁板的動力學響應(yīng)過程主要包括兩個階段,即t=0～1 ms的后壁板中心區(qū)域塑性變形階段,以及t=1 ms之后的后壁板整體變形階段．在破片穿出油箱后壁板時,后壁板彈道線位置首先受力發(fā)生變形,隨后變形區(qū)域迅速向板邊擴展．圖7是由三維DIC方法得到的油箱后壁板典型位置的等效應(yīng)變曲線,典型測點位置如圖2所示．以破片出射位置為原點,P1,P2,P3分別距離原點6 cm,10 cm,14 cm,P4,P5,P6位于后壁板對角線上且與原點的距離分別和P1,P2,P3相同．從圖中可以發(fā)現(xiàn)對于與破孔距離相同的兩個測點來說,對角線上測點的應(yīng)變要大于破孔上方測點的應(yīng)變,且隨著與破孔距離的增加,兩個測點之間應(yīng)變的差距越大,如P1與P4之間最大等效應(yīng)變相差0.001,P2與P5之間最大等效應(yīng)變相差0.015,P3與P6最大等效應(yīng)變相差0.006．這是因為后壁板在對角線位置處產(chǎn)生了塑性鉸線,從而使后壁板在對角線處產(chǎn)生了較大的應(yīng)變．

圖6 油箱后壁板高速攝影照片及DIC測試的z方向位移云圖Fig. 6 High speed photographies of oil tank rear walls and displacement contours in the z-axis direction measured by DIC

圖7 等效應(yīng)變時程曲線Fig. 7 Effective strain time history curves

隨著油箱內(nèi)空穴的擴大,整塊后壁板都將受到水錘壓力的作用,此階段為典型的固支方板受分布力載荷作用的過程,此時根據(jù) Kirchhoff-Love 薄板理論[17],矩形板的動態(tài)行為由下述方程控制:

(1)

?Mx/?x+?Mxy/?y-Qx=0,

(2)

?My/?y+?Mxy/?x-Qy=0,

(3)

(4)

(5)

(6)

對于固支方板,受分布力載荷作用產(chǎn)生大撓度變形時,在其兩條對角線及四條固支邊處都會產(chǎn)生塑性鉸線[18-19],圖8為破片入射速度為955～1 667 m/s時不同時刻的高速攝影圖片,其中t=0 ms為破片穿出油箱后壁板的時刻,拍攝結(jié)果也證實了這一點現(xiàn)象,在圖中可以發(fā)現(xiàn)當液壓水錘作用到整塊后壁板時,后壁板變形達到了最大值,并且在鉚釘?shù)募s束作用下在板邊位置形成了環(huán)形塑性鉸線．隨著破片入射速度增大,油箱后壁板的塑性鉸線更加明顯,當破片入射速度達到1 667 m/s時,后壁板左右位置的鉚釘發(fā)生斷裂,后壁板中央位置在液壓水錘的作用下發(fā)生更為嚴重的“十字型”撕裂．

圖9是破片入射速度為955～1 667 m/s時油箱后壁板右上方對角線上距離破孔13 cm位置處的等效應(yīng)變時程曲線．在破片穿出油箱之后, 等效應(yīng)變快速增大, 然后逐漸趨向于一個定值, 當破片入射速度為955 m/s時,該位置處的應(yīng)變在1 ms時刻達到了0.009,當破片入射速度為1 667 m/s時,該位置處的應(yīng)變在0.6 ms時刻達到了0.014 7,時間較前者提前了0.4 ms,等效應(yīng)變提高了63%．由此可見,隨著破片入射速度提高,后壁板的動態(tài)響應(yīng)速度、應(yīng)變水平都有著顯著的提升．

綜上所述,油箱后壁板在破片高速沖擊下的動態(tài)響應(yīng)過程可以總結(jié)為以下5個階段:

1) 破片穿透前壁板后在煤油中運動時,所產(chǎn)生沖擊波傳遞到油箱后壁板后,后壁板彈道線位置附近處區(qū)域首先發(fā)生球形鼓包變形,鼓包中央的變形撓度最大,后壁板變形模式如圖10(a)所示．

2) 破片穿透后壁板后,留下一個帶有裂紋的破孔．隨著油箱內(nèi)空腔的不斷擴大,后壁板彈道線以外的空間區(qū)域相繼受到液壓水錘的作用并發(fā)生變形,球形鼓包面積逐漸擴大,同時后壁板破孔周圍的裂紋也開始向外擴展．由圖4可知,裂紋擴展長度與破片入射速度有關(guān),入射速度越快,形成的裂紋就越長,后壁板變形模式如圖10(b)所示．

3) 當后壁板的球形鼓包變形擴展到后壁板邊緣后,在壁板對角線位置處開始產(chǎn)生徑向交叉的對角線塑性鉸線,后壁板變形模式如圖10(c)所示．

4) 隨著破孔周圍壁板的變形程度進一步增大,徑向塑性鉸線逐漸縮短并在后壁板板邊緣處產(chǎn)生了環(huán)形塑性鉸線,后壁板變形模式如圖10(d)所示．

5) 最后隨著空腔的反復(fù)膨脹坍塌,煤油動能逐漸消耗殆盡,后壁板的變形又反復(fù)振蕩,最后趨于一個穩(wěn)定值．

(a) 變形模式Ⅰ(b) 變形模式Ⅱ(c) 變形模式Ⅲ(d) 變形模式Ⅳ(a) Deformation model Ⅰ(b) Deformation model Ⅱ(c) Deformation model Ⅲ(d) Deformation model Ⅳ圖10 后壁板變形模式演變規(guī)律Fig. 10 Evolution laws of deformation modes of the rear wall

3 結(jié) 論

本文通過實驗研究了破片高速沖擊下油箱的動力學響應(yīng)行為,重點關(guān)注了油箱前后壁板的毀傷形式以及油箱后壁板的動態(tài)響應(yīng)行為,并對后壁板變形模式的演化規(guī)律進行了歸納分析,主要得到了以下結(jié)論:

1) 當高速破片沖擊油箱時,油箱前壁板的毀傷形式主要為圓形孔洞,后壁板的毀傷形式為花瓣形開裂、并伴隨有大面積翹曲變形;破片入射速度從955 m/s提升到1 667 m/s時,前壁板副平均損傷尺寸維持在15～18 mm之間,后壁板平均損傷尺寸由22 mm擴大到251 mm．

2) 當破片入射速度由955 m/s提高到1 667 m/s時,后壁板同一位置的等效應(yīng)變提高了63%,時間提前了0.4 ms,可見后壁板的應(yīng)變水平和動態(tài)響應(yīng)速度都隨著破片入射速度提高有了顯著提升．

3) 油箱后壁板的動力學響應(yīng)過程主要包括兩個階段:后壁板中心區(qū)域塑性變形階段以及后壁板整體變形階段．后壁板在中心區(qū)域塑性變形階段的變形模式主要為球形鼓包和帶有裂紋的破孔,當球形鼓包變形擴展到后壁板邊緣后,后壁板進入整體變形階段,并在對角線和邊緣位置處形成塑性鉸線,最后隨著空腔的坍塌,后壁板的變形在反復(fù)振蕩中趨于一個穩(wěn)定值．