油箱水錘效應試驗方法研究

郭軍 張宇 舒挽

摘要：通過動力學有限元工具構建經驗公式對水錘效應進行撞擊穿透數值模擬分析研究，得到比較有效的水錘效應模擬分析方法;對比研究文獻資料的分析方法，得到合理有效的建模方法，通過分析摸清水錘效應的原理及其破壞機理。利用二級氣炮發射子彈撞擊充液的箱體進行試驗，根據試驗結果進一步驗證水錘效應的原理;在此過程中，研究了試驗控制方法，得到了該試驗方法的控制流程;通過對速度、應變及壓力的動態測試方法研究，得到了試驗測試方法，最終建立油箱水錘效應試驗方法。

關鍵詞：二級氣炮;水錘效應;數值模擬;試驗方法;有限元

中圖分類號：V312????? 文獻標識碼：A???? D〇I：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.0011

目前，對飛機的生存力而言，燃油箱結構的安全性是極其重要的內容之一，而燃油箱發生破損主要緣于兩種現象：一是水錘效應;二是燃爆效應。當充液箱體受到高速射彈沖擊時，其壁板將被穿透，高速射彈的一部分動能將迅速傳遞到箱體內的液體中，使得液體產生劇烈振蕩，伴隨有空腔、高壓等現象，導致燃油箱產生裂縫甚至嚴重破損，造成燃油泄漏等危險情況，可能使飛機失去其重要組成結構，這種現象便被稱作水錘效應。對未來先進飛機要求的輕質量設計而言，整體燃油箱結構將扮演重要角色，而水錘效應在整體燃油箱結構中表現的更加明顯。

近年來，關于飛機燃油箱結構破損造成的事故引起了廣泛關注，美國聯邦航空局（FAA）在1990年就開展了飛行器災難性事故防護研究，其中燃油箱結構的沖擊防護研究就是重點之一;在“沙漠風暴”行動中，墜毀的飛機中75%是由于燃油箱結構出現沖擊破損而墜毀，其中最多的事故原因是發生了水錘效應;2000年，法國一架“協和”號飛機墜毀，其原因也是發生了水錘效應。因此，高速射彈典型沖擊下典型燃油箱結構水錘效應研究是飛機易損性設計中不可忽略的問題之一，對提高飛機的生存力有著重要意義。

1射彈格柵油箱研究

本文通過格柵油箱彈道毀傷有限元分析建模，并通過參考文獻進行驗證，完成了彈體入水速度衰減規律及沖擊過程中產生的空穴特性的理論分析工作。

1.1彈體速度衰減變化

空化現象是指液體內局部壓力低于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓力時，液體內部或固液交界面上生成空泡的現象。通過大量文獻中的資，可以看到高速彈體入水時往往會產生空化現象。為了表征空化的程度，空化數σ成為描述空泡流動的重要無量綱參數：

式中：p=p+pgh為參考點處壓力，p為自由液面壓力，ρgh為水深產生的壓力;ρ為液體密度;p（T）為溫度為T時液體的飽和蒸汽壓力;υ為液體來流速度（即彈體水中運動速度）。

由于本文試驗中彈體水深有限，所以水深產生的壓力遠遠小于自由界面大氣壓力，因此本文忽略水深對空化數的影響，簡化式（1）得到：

式中：υ為彈體入水速度;σ=0.006?0.018為初始空化數。

當彈丸高速入水后，整個彈丸都包裹于生成的空泡中，導致彈丸受到的主要阻力則是來自于彈體所承受的壓差阻力，而摩擦阻力很小。根據假設不考慮重力的影響，根據牛頓第二定律：

式中：m為彈體質量，A為彈丸在垂直于運動方向的投影面積，C=C（1+σ）為阻力系數和空化數的關系。

在本文中，充液箱體寬度為700mm，通過仿真研究發現，當彈體初速度為900m/s時，剩余速度大約為500m/s，取σ=0.012，則C=0.405?0.416。

假設C為定值，將式（3）進行積分，可以得到彈丸速度隨時間的變化方程：

式中：R為彈丸半徑。

對式（4）進行積分，可以得到彈丸位移隨時間變化方程：

1.2空穴特性分析

空穴的擴展是研究彈體水下運動的重點內容。在本文的分析中，認為彈體在水中損失的動能全部轉化為空穴周圍流體的動能以及空穴內的勢能。

針對球形端頭彈體高速垂直入水，M.Lee等利用分布點源理論得到空穴周圍的流體動能E：

式中：R為空泡半徑;N=ln（R/R）為無量綱經驗系數，表示彈丸入水沖擊的擾動范圍;R為擾動最大半徑。空穴內勢能dE：

式中：為空穴內外壓差;S為空泡面積。

彈體動能dE：

根據能量守恒定理，有dE+dE=dE，即：

假設C為定值，考慮近似關系式，求解式（11）得到：

式中：x為t時刻彈體的位移;x為t時刻彈體的位移。

1.3仿真分析

建立有限元模型，如圖1所示，箱體由750mm×150mm×2.5mm的6063-T5鋁合金平板和30mm厚的有機玻璃組成，采用4340鋼材彈體，直徑12.5mm，質量8g，沖擊速度為600m/s。圖1是本文建立的有限元模型，建立1/2模型。

圖2列出彈丸600m/s沖擊速度下，本文仿真、Varas等試驗和采用SPH方法仿真得到的彈丸速度變化曲線?？梢钥闯?，本文模型得到的結果與Varas等的試驗和仿真結果吻合很好。圖3是在沖擊過程中的壓力變化?？煽闯鰤毫ψ兓呛陷^好。

基于彈丸速度和壓力變化的對比驗證，證明本文建立的有限元模型方法的準確性?；谏鲜瞿Ｐ停?×3射彈沖擊格柵油箱有限元模型，如圖4所示。

如圖2、圖3所示，在射彈穿透燃油箱前后壁板時，射彈速度發生銳減;燃油箱充液比例對射彈速度衰減規律基本沒有影響，但液體的存在明顯減小了射彈的殘余速度。這是由于射彈在液體中運動時，射彈受燃油箱壁板和液體阻力影響，速度衰減，并將動能傳遞給燃油箱壁板和液體。

圖5顯示，射彈進入水中后產生了空腔，射彈在液體飛過后，其產生的空腔逐漸擴大，射彈穿透液體后隔一段時間，空腔消失。有限元計算仿真分析結果，清晰揭示水錘效應的全過程，包括沖擊-牽引-空腔-崩塌等典型現象。

2水錘效應試驗方法研究

本次充液箱體試驗的試驗方法思路主要是由高速氣炮將彈頭加速到目標速度后，撞擊并且穿透前面板，進入充液箱體，研究彈頭在液體中運動特性及其對周圍結構的影響。

2.1試驗設備的選取

根據參考文獻、參考文獻、參考文獻以及結合仿真結果分析，得出體現水錘效應的關鍵參數，得到試驗測試具體對象，如壓力，高速射彈速度等。

對上述參數的測試，需用高速攝像系統觀測彈頭在穿透前面板、進入液體中的運動速度、軌跡和狀態等;使用應變片測試系統記錄整個過程中前后面板應變;用壓力傳感器記錄充液箱體中液體內部的壓力變化歷程;高速攝像系統和其他測量系統的數據采集系統由設置在炮口出口位置的觸發器產生的觸發信號觸發。所需主要試驗設備見表1。

2.2試驗實施

2.2.1試驗目的

研究彈體穿過充液箱體時，箱體內液體壓力變化、箱體前后壁上面板上應變變化情況及運動軌跡，得到箱壁擊穿過程中動態壓力、應變的時間歷程曲線。

2.2.2試驗件結構及其支持

充液箱體外廓尺寸為700mm×700mm×700mm，框架選用厚度為10mm、寬80mm的20號鋼角材，前、后面板均為20號鋼板，厚度分別為13mm、38mm。左側面（沿入射方向看）和底面均采用32mm厚的聚碳酸酯玻璃板，右側面（沿入射方向看）為厚度20mm的20號鋼板。箱體上部開敞。箱體下部有立柱和底板。箱體內部應采取密封措施以防止漏水。在箱體內部安裝壓力傳感器。在前面板中心上開125mm×125mm的方孔，方孔處安裝面板，面板尺寸175mm×175mm，在后面板中心上275mm×275mm的方孔，方孔處安裝面板，面板尺寸320mm×320mm，面板為復合材料，材料為CCF300/BA9916-II單向帶，厚度6mm，如圖6所示。

彈頭形狀如圖7所示。彈頭直徑12.7mm，彈頭圓柱段長度75mm，彈頭前端為半球頭，表面粗糙度3.2，σ=1080±100MPa，單件質量77g，材料為30CrMnSiA。

2.2.3試驗測量

測量項目主要有：

（1）彈頭撞擊前面板前運動速度采用高速攝像拍攝彈頭的飛行軌跡，通過圖像處理軟件分析計算彈頭的撞擊速度。使用高速攝像機FASTCAM SA1.X，拍攝速度不低于50000fps且分辨率不低于512×128。

（2）試驗件典型位置應變時間歷程對于應變測量點，每個應變片采用1/4橋接法，通過動態應變儀輸出到數據采集系統，采用統一的觸發方式同步采集，數據采集頻率不低于100kHz。

（3）充液箱體內部典型位置壓強時間歷程通過事先布置在箱體內部的動態壓力傳感器輸出到數據采集系統，采用統一的外部觸發方式同步采集，數據采集頻率不應低于100kHz。

（4）彈頭在箱體中運動的視頻圖像數據通過布置在充液箱體下方和側面的高速攝像機FASTCAM SA1.1，采集和記錄彈頭在充液箱體中運動歷程的視頻圖像數據，拍攝速度不低于20000fps，且視頻圖像像素不小于512×256。

2.2.4測量數據處理

對試驗采集到的數據應進行處理分析，判定是否存在非正常信號（如漂移、突降、高頻噪聲與超載值等）。各個點液體壓力時間曲線與高速影像進行對比，分析液體內部形體的變化情況，重點研究沿射擊路徑上的液體空腔形成與坍塌的特點，并給出試驗結論。

2.2.5試驗準備

試驗準備包括試驗安裝、測試系統安裝和高速攝像系統安裝三方面內容。

2.2.6試驗安裝

充液箱體試驗件通過支架固定在靶室內承力地軌上。充液箱體支架應安裝牢固，需能夠保證在高速彈頭的沖擊中不產生明顯位移和變形。安裝時要確保充液箱體的位置安裝正確，試驗件的著彈點中心對準高速氣炮二級炮管中心，保證使彈頭入射軌跡與試件撞擊位置平面垂直。

2.2.7測試系統安裝

測試系統安裝主要包括應變片的粘貼、壓力傳感器的安裝、動態數據采集系統的安裝和調試。應變片應粘貼牢固，以免試驗過程中接觸不好引起應變片失效，且處于充液箱體內部的應變片和傳感器在安裝時應做好防水措施。

2.3試驗步驟

本次試驗分為高速炮速度調試、試驗件安裝和各系統調試、試驗前試驗件狀態檢測、試驗安裝檢查、正式試驗5個階段。

2.3.1高速炮速度調試

采用試驗任務書中規定的彈頭，撞擊模擬靶進行系統調試/預試，以得到規定速度所需的高速氣炮系統的設置參數。

2.3.2試驗件安裝和各系統調試

試驗件的安裝和和各系統的調試主要分為以下幾個方面內容：（1）安裝夾具及試驗件;（2）試驗件注水;（3）測試系統安裝、調試;（4）安裝防護裝置;（5）設置高速攝像系統和照明系統并進行調試。

2.3.3試驗前試驗件狀態檢測

試驗開始前進行一次全面檢測，以目測方式檢測試驗件是否存在漏水、明顯缺陷或損傷，填寫試驗記錄表，并且進行試驗前狀態拍照。

2.3.4試驗安裝檢查

試驗前，試驗提出方對試驗件安裝狀態及試驗設備進行檢查;由檢驗員、質量部門對試驗件安裝狀態及試驗設備進行檢查;經檢驗員、試驗提出方批準后方可進行試驗。

正式試驗階段，對撞擊前后的試驗件結構變形、破損情況進行仔細的目視檢查并照相加以記錄。試驗步驟：（1）對試驗件撞擊前狀態進行拍照;（2）彈頭稱重，并記錄彈頭質量;（3）按照高速氣炮操作規程，進行彈頭的裝填，膜片的安裝;（4）氣炮操作員激發高速氣炮，完成彈頭的發射;（5）檢查試件結構的變形、破損情況，填寫試驗現場記錄表，對試驗后試驗件狀態進行拍照，填寫試驗現場記事。

2.3.5試驗后試驗件檢測

在試驗后要對試驗件進行一次全面檢測，檢測手段包括目視，主要檢測試驗后試驗件結構連接區域和彈頭通過區域結構是否產生開裂、分層、釘孔擠壓塑性變形以及螺栓拉脫或斷裂現象。對不同的部位應使用不同的檢測方法及檢測手段，并對檢測到的損傷類型、部位、程度進行分析記錄。

2.4試驗結果分析

2.4.1試驗現象

對此次試驗的試驗數據、現場照片及高速攝像視頻資料進行了分析和對比。試驗及進行數據處理過程中對于該試驗的特性現象有如下發現：

（1）水箱水錘試驗中水箱內部試驗中能夠從兩個方位的高速攝像機視頻得到較為完整、清晰的彈頭穿過水箱的過程，以及隨之而來的氣體空腔的完整變化歷程。

（2）試驗后水箱前后面板破壞情況試驗后水箱前面板均為穿透損傷，其表現上為前面板上有洞穿的小孔，后面板有穿透的痕跡同時還有撕裂或斷裂現象，以第2次和第19次試驗為例，破壞情況照片如圖8和圖9所示。

（3）水箱水錘試驗應變數據現象描述前面板上應變波動數值小于后面板上的應變數據，以第一次試驗為例，前面板上應變片數據峰值絕對值基本都在5000以下波動，但是后面板上的部分應變片數據峰值絕對值的都超過了10000。

前面板上的應變片只有一個較大波峰，且在較大應變水平下（大于2000）持續時間較短，而后面板上的應變片的應變數據經常都會出現兩個或更多峰值，且在較大應變水平下，持續時間是前面板上持續時間的數倍。

對比前面板上應變片數據粘貼在面板兩面同一位置的兩個應變片數據發現，兩個應變數據波形基本對稱一致，數值絕對值大小也相近，如圖10所示。

對比后面板上應變片數據粘貼在面板兩面同一位置的兩個應變片數據，會發現情況復雜很多，除了和前面板上相同的曲線形式，兩個應變數據波形基本對稱一致，數值絕對值大小也相近，如圖11所示，還有另外一種形式，即波形相位基本一致，但應變數值相差較大，如圖12所示。

通過對比發現，彈丸沖擊速度對前面板上應變片應變數據的峰值影響不明顯，峰值絕對值基本都在5000以下。彈丸沖擊速度對后面板上應變片應變數據的峰值影響較為明顯，在彈丸速度提高時，后面板上的應變峰值絕對值也會提高，并且損壞的應變片數量也提升很多，另外，在較高應變水平大于2000，持續時間也有延長。

（4）水箱水錘試驗水壓力數據現象描述從采集得到的壓力數據值可明顯得出，在水箱水錘試驗中，液體內部靠近空腔（含空腔）的動態壓力值（約12MPa）遠大于液體靠近水箱壁的動態壓力值（小于0.2MPa）。

2.4.2結果分析

對于水箱水錘試驗前面板來講，主要承受高速彈頭的沖擊破換，彈頭攜帶的動能遠大于前面板能夠承受的破壞能量，因此，水箱前面板被穿透小孔。對于水箱后面板來講，它除了要承受高速彈頭的沖擊破壞，還需要承受彈頭在水箱內部飛行過程中彈頭受到水箱中液體的阻尼而傳遞給液體的一部分動能，這部分液體動能以液體壓力的表現形式壓迫后面板對后面板產生一次更為嚴重的二次損傷，這種損傷是隨著彈頭的速度的提高而加劇，表現上從范圍撕裂乃至直接被破壞斷裂。

前面板的應變主要是由彈頭穿透前面板結構時產生，而后面板的應變由彈頭穿透前面板結構和產生的空腔壓力沖擊后面板結構形成。由于后面板承受的更大的沖擊力，因此，后面板上應變峰值較前面板會更大一些。另外，后面板上粘貼在面板兩面上同一位置的應變片數據峰值大小差異巨大，是因為后面板在試驗過程中碳纖維復材板已經分層而導致。

通過高速攝像拍攝圖像，如圖13所示，試驗后的數據分析可得到水錘效應產生的機理：

（1）高速彈頭撞擊并穿透前壁板，在前壁板上留下小孔后進入水箱。

（2）彈頭在水箱中運動，在高速運動的彈頭周圍及尾部周圍形成了逐漸擴大的氣體空腔，此階段氣體空腔呈現出喇叭口狀。

（3）彈頭撞擊并穿透后壁板，氣體空腔進一步擴大，水箱中的水面開始急劇激蕩，此階段氣體空腔逐漸向紡錘型發展。

（4）氣體空腔繼續擴大，直到氣體空腔受水箱壁板限制并反射，氣體空腔形狀急劇不規則變化，水箱中水劇烈翻騰，持續一段時間后逐漸平息。

3結論

本文通過仿真分析揭示了水錘效應的機理，研究得到了高速射彈的水錘效應試驗方法，并通過試驗驗證了分析結果（圖5和圖13對比），進一步明確了水錘效應的機理。

目前，國內主要研究了速度在300m/s以內的子彈入水沖擊試驗，本文的研究目標子彈速度最高值達1100m/s。擴充了研究范圍，揭示了高速子彈入水后的物理現象及機理，對未來先進飛機燃油箱抗沖擊防護提供試驗驗證方法。

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