球形破片殺傷元對(duì)車(chē)輛油箱毀傷效應(yīng)研究

陳世業(yè)，張永闊，王 璽，杭立杰，何 麗

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

特種車(chē)輛的使用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，面臨著航空炸彈、榴彈、地雷、石塊飛濺等多種形式造成的硬毀傷，導(dǎo)致油箱出現(xiàn)損傷甚至損毀，從而直接影響車(chē)輛的使用，因此，有必要對(duì)特種車(chē)輛油箱的毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究。目前，硬毀傷元對(duì)結(jié)構(gòu)侵徹效應(yīng)的研究主要聚焦于坦克、飛機(jī)、裝甲車(chē)、固定陣地防護(hù)等裝備和設(shè)施方面［1-6］，對(duì)于無(wú)裝甲防護(hù)或輕裝甲防護(hù)的特種車(chē)輛研究較少，涉及車(chē)輛油箱的則更少［7-18］，一定程度上制約了特種車(chē)輛毀傷評(píng)估與防護(hù)研究。由于打擊方式、材料本構(gòu)、失效準(zhǔn)則影響毀傷研究的關(guān)鍵要素的復(fù)雜性和隨機(jī)性，目前主要通過(guò)多變量數(shù)值模擬仿真和小子樣典型驗(yàn)證試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。

油箱的硬毀傷失效模式主要包括：箱體穿孔、箱體被切割、油箱被引燃和引爆等，對(duì)于地面行駛的特種車(chē)輛的油箱而言，基本不存在大過(guò)載的斷裂毀傷問(wèn)題，油箱在遭受大量破片打擊時(shí)，出現(xiàn)大量漏油的可能性比較大。本文只針對(duì)典型球形破片對(duì)特種車(chē)輛常見(jiàn)的鋁制油箱的沖擊侵徹毀傷機(jī)理進(jìn)行研究。通過(guò)流固耦合仿真技術(shù)，對(duì)不同初速毀傷元、不同油液體積、不同破片數(shù)量的沖擊毀傷機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)防護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，支撐特種車(chē)輛防護(hù)技術(shù)提升。

1 破片對(duì)油箱侵徹毀傷仿真

1.1 油箱侵徹仿真模型

破片高速撞擊特種車(chē)輛油箱時(shí)，破片的動(dòng)能傳遞給液體，并通過(guò)沖擊波形式傳遞作用于油箱結(jié)構(gòu)上，從而造成油箱結(jié)構(gòu)破壞。整個(gè)破壞過(guò)程涉及到箱體和油液之間的復(fù)雜的流固動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，理論分析十分復(fù)雜，本文采用AUTODYN的ALE流-固耦合技術(shù)進(jìn)行分析，揭示了破片、箱體和液體之間的耦合效應(yīng)和能量傳遞機(jī)理。油箱模型箱體尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，壁厚3 mm，破片為球形，直徑為10 mm，質(zhì)量為3 g。圖1和圖2給出油箱侵徹仿真模型及其剖視圖。

圖1 油箱侵徹仿真模型Fig.1 Simulation model of fuel tank penetration

圖2 油箱侵徹仿真剖視圖Fig.2 Simulated cutaway view of fuel tank penetration

1.2 模型本構(gòu)關(guān)系

本文重點(diǎn)研究油箱毀傷規(guī)律和防護(hù)措施，不對(duì)材料進(jìn)行深入研究，因此在材料參數(shù)選擇方面重點(diǎn)借鑒成熟文獻(xiàn)。油箱結(jié)構(gòu)模型采用殼體結(jié)構(gòu)，外殼材料為5A06鋁合金，其狀態(tài)方程和本構(gòu)關(guān)系數(shù)值參考文獻(xiàn)［19］。破片采用鎢合金球形破片模擬毀傷元。在相關(guān)文獻(xiàn)中做類(lèi)似的沖擊動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，鎢合金破片可以等效為剛性和柔性?xún)煞N模型。當(dāng)破片相對(duì)于被侵徹體剛度較大，破片基本保持預(yù)制形狀，未產(chǎn)生較大的變形與毀傷時(shí)，可以采用剛性體模擬。為了更精確地模擬破片沖擊油箱本體和防護(hù)結(jié)構(gòu)的過(guò)程，需要考慮破片的結(jié)構(gòu)變形和能量損失，采用柔性體模擬破片結(jié)構(gòu)更為精確，本文建立的破片參數(shù)采用Johnson-cook硬化和失效模型，參數(shù)參考文獻(xiàn)［20］?？諝饽Ｐ筒捎美硐霘怏w狀態(tài)方程，油液采用Shock狀態(tài)方程描述，炸藥選用JWL狀態(tài)方程，在本文仿真過(guò)程中，上述材料直接選用AUTODYN材料庫(kù)中成熟的本構(gòu)參數(shù)。

2 破片對(duì)油箱侵徹毀傷效應(yīng)

2.1 不同破片數(shù)量對(duì)油箱毀傷的影響

圖3給出了單個(gè)3 g球形鎢合金破片以2 000 m/s的速度貫穿3 mm 鋁制滿(mǎn)液油箱的仿真結(jié)果。通過(guò)圖3a仿真結(jié)果可以看到，在6 μs 時(shí)，破片侵徹箱體正面，屬于沖擊階段，此時(shí)產(chǎn)生的破壞主要集中在撞擊點(diǎn)附近，破片動(dòng)能逐漸傳遞，在穿透點(diǎn)處形成高壓半球沖擊波，作用于油箱前壁上的穿孔周?chē)?，使穿孔撕裂，呈花瓣?duì)钔夥?，由于箱體內(nèi)充滿(mǎn)液體，鋁板變形被限制。由圖3b 可知，在70 μs 時(shí)，破片到達(dá)油液中部，破片動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體動(dòng)能和熱能，破片速度因液體阻力而減小。破片擠壓液體在破片前端區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生徑向壓力場(chǎng)，后端形成低壓區(qū)。液體在破片作用下開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入液體拖曳階段。在107 μs時(shí)，破片到達(dá)油箱背面鋁板處，此刻，由于沖擊波的傳播速度高于破片行進(jìn)速度，沖擊波在背面鋁板處產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力，見(jiàn)圖3c。圖3d 至圖3f 給出了在140～280 μs 過(guò)程中，破片已完成背面鋁板穿透，造成鋁板穿透點(diǎn)附近呈現(xiàn)外脹形穿口，且由于流體的運(yùn)動(dòng)在破片后面形成空腔，空氣從箱體穿孔進(jìn)入空腔，空氣與油液產(chǎn)生空腔振蕩，從而導(dǎo)致較大的壓力脈沖，繼續(xù)破壞油箱的結(jié)構(gòu)，油箱被擊穿漏油。

圖3 破片以2 000 m/s速度侵徹箱體過(guò)程中箱體的變形毀傷Fig.3 Deformation and damage of the box body during the penetration of fragments at the speed of 2 000 m/s

戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的破片空間分布較集中，箱體將受到破片群的沖擊作用，破片群的密度主要與戰(zhàn)斗部和箱體之間的距離有關(guān)。研究雙發(fā)破片穿透箱體過(guò)程，雙發(fā)破片（間距D＝30 mm）對(duì)箱體的沖擊過(guò)程如圖4所示。破片穿透箱體前壁后形成雙半球形的沖擊波，破片各自運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波在相遇后發(fā)生相互作用，形成雙發(fā)破片的疊加沖擊波。疊加沖擊波的傳播速度高于初始沖擊波，其波頭與初始沖擊波之間的距離逐漸減小，此時(shí)箱體中最大壓力出現(xiàn)在疊加沖擊波的波頭位置。隨著傳播距離的增加，破片形成的初始沖擊波和疊加沖擊波先后作用在箱體后壁上，并形成反射波。由圖4可見(jiàn)，由于沖擊波的疊加和撞擊變形的耦合，多破片綜合侵徹效應(yīng)大于逐一侵徹效應(yīng)。

圖4 雙破片侵徹箱體的全物理過(guò)程Fig.4 The whole physical process of double fragments penetrating the box

2.2 不同破片初速下的侵徹效應(yīng)

由于車(chē)輛任務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性，需要對(duì)不同破片速度毀傷效果進(jìn)行仿真，從而實(shí)現(xiàn)油箱部組件易損性分析。本文分別以2 000 m/s、1 500 m/s和1 000 m/s三種破片初速進(jìn)行油箱侵徹仿真分析。圖5為不同速度下鎢合金破片擊穿鋁制箱體的速度時(shí)程曲線，總體來(lái)說(shuō)，破片擊穿正面鋁板和背面鋁板時(shí)均有速度突變，在液體中近似線性速度衰減。破片初速越大，速度衰減斜率越大，說(shuō)明進(jìn)入油液后破片的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成油液的動(dòng)能越大，產(chǎn)生更大強(qiáng)度的沖擊波。3種速度的破片均能貫穿油箱，剩余速度分別為1 077.6 m/s、712.5 m/s和457.3 m/s，速度衰減幅度分別為46%、52.5%、54.3%。

圖5 不同初速破片侵徹速度時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curve of penetration velocity of fragments with different initial velocity

為了能準(zhǔn)確地獲取破片速度對(duì)撞擊產(chǎn)生沖擊波的影響規(guī)律，在仿真模型中布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，布局如圖6所示。圖7為破片在不同撞擊速度下，測(cè)點(diǎn)30、28與26的壓力時(shí)程曲線。從圖7可以看出，破片初速達(dá)到2 000 m/s 時(shí)，測(cè)點(diǎn)30 處的沖擊波壓力峰值接近120 MPa，而1 000 m/s 對(duì)應(yīng)的壓力峰值不到25 MPa，相差近4倍。測(cè)點(diǎn)越靠后，沖擊波壓力曲線的波寬越大，這是撞擊產(chǎn)生的初始沖擊波傳到油液后繼續(xù)向前，在傳至箱體后壁面時(shí)產(chǎn)生反射波，與后續(xù)波形成疊加，壓力衰減放緩。

圖6 仿真模型中測(cè)點(diǎn)布局Fig.6 Layout of measuring points in simulation model

圖7 破片以不同速度貫穿測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線Fig.7 Pressure-time curves of fragments penetrating the measuring points at different velocities

2.3 不同油液體積下的侵徹效應(yīng)

為了研究破片對(duì)不同充油液比的箱體的破壞情況，本文分別模擬了充油液分別為100%和85%狀態(tài)時(shí)箱體受到破片以2 000 m/s速度撞擊的情況，并與同速度下破片對(duì)完全充油液箱體的破壞變形進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖8所示。

圖8 破片穿過(guò)后壁時(shí)箱體的變形情況Fig.8 Deformation of the box when fragmentspass through the rear wall

由圖8可以看出，完全充油液和部分充油液箱體的正面鋁板破壞和變形相似，這是因?yàn)樵谄破謴厍捌冢饕瞧破瑳_塞撞擊鋁板，破壞形式以固體結(jié)構(gòu)失效破壞為主。但是油箱背面破片和孔邊變形差距卻十分明顯，部分油液箱體的破壞遠(yuǎn)小于滿(mǎn)油液箱體，這是由于空氣的可壓縮性，在部分充油液的箱體中，液體的能量得以分散，使得空腔的振蕩減弱，破壞效應(yīng)也相應(yīng)減小。

2.4 油箱破片毀傷極限速度

為了獲得破片侵徹的邊界，本文給出了不同初速破片侵徹含油85%鋁制油箱時(shí)的剩余速度和毀傷效應(yīng)，如表1 所示。根據(jù)數(shù)值模擬仿真以及經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)3 mm 厚的5A06 鋁板而言，在3 g 球形破片的侵徹情況下，貫穿的極限速度應(yīng)在300 m/s 左右，基于極限速度可根據(jù)彈丸初速和衰減系數(shù)進(jìn)行特種車(chē)輛使用時(shí)安全距離設(shè)計(jì)。

表1 破片侵徹含油85%鋁制油箱時(shí)的初始速度和剩余速度Tab.1 Ⅰnitial velocity and residual velocity of fragments penetrating 85% oil-containing aluminum fuel tank

3 沖擊波影響下的油箱毀傷效應(yīng)分析

對(duì)于破片型殺傷戰(zhàn)斗部而言，在攻擊目標(biāo)時(shí)更主要的是依靠破片殺傷，但實(shí)際情況下破片由炸藥驅(qū)動(dòng)，炸藥在數(shù)公斤到數(shù)百公斤不等，而且一般是高能炸藥，所以車(chē)輛遭遇到此類(lèi)爆炸物時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)油箱造成一定的毀傷效應(yīng)，因此有必要研究油箱在破片與沖擊波聯(lián)合作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和毀傷模式。下文重點(diǎn)仿真和分析了工程中常見(jiàn)的未充滿(mǎn)油液的油箱遭受破片毀傷情況，并對(duì)比了沖擊波的影響效應(yīng)。

3.1 聯(lián)合毀傷機(jī)理

圖9為破片和沖擊波聯(lián)合作用下，箱體的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程及破壞過(guò)程。沖擊波從歐拉域右側(cè)傳入，波陣面呈現(xiàn)平面波的特點(diǎn)，如圖9a 和圖9b 所示，并率先作用到箱體表面，如圖9c所示。沖擊波作用到箱體后，箱體受載面邊緣出現(xiàn)彎曲變形，如圖9d 和圖9e所示，沖擊波也會(huì)傳入油中，與此同時(shí)破片也穿透箱體前壁。破片撞擊箱體壁面時(shí)產(chǎn)生的球面沖擊波與入射平面沖擊波出現(xiàn)明顯的疊加，如圖9g 和圖9h所示，與破片單獨(dú)撞擊箱體存在著顯著的差別。破片在油中飛行，最終貫穿箱體后壁，而此時(shí)，箱體的響應(yīng)變形也在加大，尤其是前壁的邊緣位置，產(chǎn)生十分明顯的變形，并最終被破壞。

圖9 聯(lián)合作用下箱體的響應(yīng)與毀傷過(guò)程Fig.9 Response and damage process of oil-filled tank under combined action

3.2 聯(lián)合毀傷效應(yīng)

考慮未充滿(mǎn)的箱體在遭受爆炸沖擊波與破片聯(lián)合作用下的響應(yīng)與毀傷情況。圖10 是未充滿(mǎn)油液情況下有無(wú)沖擊作用時(shí)的箱體毀傷結(jié)果對(duì)比。從圖10 可以看出，在沖擊波作用下，箱體受載面上部直角處產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，并且出現(xiàn)破壞情況，受載面整體向后變形，油面產(chǎn)生晃動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)。箱體后壁面受到液體傳遞沖擊，變形也相對(duì)較大，同時(shí)破片貫穿孔外翻嚴(yán)重。而無(wú)沖擊波作用的箱體基本無(wú)變形，主要是破片造成的貫穿失效。

圖10 未充滿(mǎn)油液情況下的箱體毀傷對(duì)比Fig.10 Comparison of damage of oil-unfilled tank

由圖10 可以發(fā)現(xiàn)，沖擊波的作用體現(xiàn)在使箱體前壁的變形毀傷更加嚴(yán)重，沖擊波更主要的是具備整體毀傷效果，而破片卻造成局部貫穿效果，但破片的局部貫穿卻有可能引爆油箱內(nèi)部的油料，造成更為嚴(yán)重的后果。通過(guò)仿真說(shuō)明，如果爆炸物在距離油箱附近位置爆炸，那么爆炸沖擊波本身就可以完全毀傷箱體。在實(shí)戰(zhàn)條件下特種車(chē)輛油箱設(shè)計(jì)不但要考慮局部貫穿失效，還應(yīng)加強(qiáng)整體抗變形能力。

4 陶瓷防護(hù)油箱的毀傷效應(yīng)

為了使油箱具有更好的抗破片侵徹能力，考慮采用陶瓷材料作為油箱的外殼材料進(jìn)行初步的防護(hù)分析。裝甲陶瓷材料有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、硬度大的優(yōu)點(diǎn)，可以有效防護(hù)油箱遭遇的破片或子彈類(lèi)威脅襲擊。

4.1 破片毀傷防護(hù)分析

為了驗(yàn)證陶瓷防護(hù)的可行性，在油箱特定區(qū)域增加陶瓷板的設(shè)計(jì)。在原數(shù)值仿真模型的基礎(chǔ)上，考慮工程需求增加3 mm陶瓷材料，材料特性采用AUTODYN材料庫(kù)中的陶瓷材料（Al 2O3CERA），Von Mises屈服應(yīng)力高達(dá)8 GPa。圖11 給出了破片侵徹陶瓷防護(hù)箱體的仿真過(guò)程，加固后的油箱可以抵抗速度為1 000 m/s的破片撞擊，對(duì)于初速為300 m/s與500 m/s的破片而言，陶瓷油箱只是產(chǎn)生了瞬態(tài)變形而已。從仿真結(jié)果也可以看出，由于陶瓷材料的強(qiáng)度高，鎢合金破片撞擊后產(chǎn)生了很大的變形，在這種情況下，破片與油箱表面接觸面積將增大，撞擊點(diǎn)壓強(qiáng)下降，使得破片的侵徹能力下降，與此同時(shí)箱內(nèi)的油獲得了一定的加速度，產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng)。從未穿透的結(jié)果看，陶瓷對(duì)于油箱抗侵徹能力的提高有顯著的效果，說(shuō)明此種方案具有一定的防護(hù)能力。

圖11 破片侵徹陶瓷防護(hù)箱體的全物理過(guò)程Fig.11 The whole physical process of fragment penetrating ceramic protective box

4.2 聯(lián)合毀傷防護(hù)分析

圖12 為初速1 000 m/s 的破片與入射沖擊波為4 MPa 作用下，陶瓷油箱的壓力云紋圖與變形狀況。從圖12 可以明顯看出，相比鋁制油箱，陶瓷油箱同樣在受載面出現(xiàn)較為明顯的整體變形，但幅度小。破片因高速撞擊的沖擊力而產(chǎn)生大變形，但仍然無(wú)法穿透油箱。

圖12 破片與沖擊作用下3mm厚陶瓷外殼油箱(上為壓力云紋圖，下為變形圖)Fig.12 Oil tank with 3mm thick ceramic shell under the action of fragment and impact

5 結(jié) 論

本文基于流固耦合仿真技術(shù)對(duì)多種狀態(tài)下球形破片侵徹油箱進(jìn)行了仿真研究，得出如下結(jié)論：

a）破片侵徹油箱過(guò)程為復(fù)雜的流固耦合過(guò)程，破片撞擊充油液箱體時(shí)，由于“水”錘效應(yīng)的作用，油箱產(chǎn)生更加嚴(yán)重的破壞。

b）箱體遭受雙發(fā)破片侵徹時(shí)，在油液中產(chǎn)生的沖擊波有明顯的疊加效應(yīng)。疊加沖擊波波速要大于單破片貫穿產(chǎn)生的沖擊波，并提前作用到箱體后壁上，增強(qiáng)毀傷效應(yīng)。

c）通過(guò)破片和沖擊波聯(lián)合毀傷分析可知，沖擊波疊加下油箱毀傷加劇，箱體變形嚴(yán)重，在分析特種車(chē)輛油箱易損性時(shí)應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合分析才更貼近實(shí)際作戰(zhàn)模式。說(shuō)明在進(jìn)行特種車(chē)輛毀傷評(píng)估時(shí)，應(yīng)依據(jù)威脅源的破片和沖擊波特性進(jìn)行聯(lián)合分析。

d）特種車(chē)輛傳統(tǒng)油箱對(duì)于破片殺傷無(wú)防護(hù)能力，通過(guò)陶瓷防護(hù)后油箱抗侵徹和抗沖擊能力明顯提高，說(shuō)明利用陶瓷基相關(guān)材料進(jìn)行防護(hù)方案研究是可行的。工程上車(chē)輛外側(cè)和底部的命中概率較大，可采用陶瓷等防護(hù)材料進(jìn)行有限防護(hù)。

e）實(shí)戰(zhàn)條件下車(chē)輛的破片殺傷十分復(fù)雜，破片種類(lèi)亦較多，本文建立的仿真和防護(hù)方法是支撐特種車(chē)輛毀傷評(píng)估的基礎(chǔ)之一，通過(guò)建立油箱、設(shè)備艙、駕駛室、上裝結(jié)構(gòu)仿真模型實(shí)現(xiàn)對(duì)不同威脅源毀傷效應(yīng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)特種車(chē)輛受襲毀傷失效的綜合評(píng)估目標(biāo)。