高速破片撞擊充液容器形成液壓水錘的試驗(yàn)研究

紀(jì)楊子燚，李向東，周蘭偉，藍(lán)肖穎

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

液壓水錘效應(yīng)(hydrodynamic ram)是指高速破片撞擊充液容器并將動(dòng)量和動(dòng)能傳遞給液體的過(guò)程，會(huì)引起容器發(fā)生變形甚至出現(xiàn)毀滅性破壞如圖1所示。

液壓水錘依次分為破片侵徹前面板的侵徹階段，破片撞擊入水的沖擊階段、破片排開(kāi)水并產(chǎn)生空腔的空化階段[1]，由于空化階段液體中的空腔反復(fù)膨脹收縮，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此當(dāng)破片動(dòng)能較大時(shí)，空化階段中會(huì)出現(xiàn)破片穿透后壁面的穿出階段。

(a) 侵徹階段(a) Impact (b) 沖擊階段(b) Shock

(c) 空化階段(c) Cavitation (d) 穿出階段(d) Exit圖1 液壓水錘的四個(gè)階段Fig.1 Four phases of hydrodynamic ram

由于液壓水錘效應(yīng)的普遍性，20世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍研究生院(Naval Postgraduate School, NPS)和海軍武器中心(Naval Weapons Center, NWC)聯(lián)合展開(kāi)了關(guān)于水錘效應(yīng)試驗(yàn)和理論方面的研究，詳細(xì)的研究成果可參考文獻(xiàn)[1]。Varas等[2]利用高速破片撞擊充水鋁管，分析了破片撞擊速度和充液比對(duì)水錘效應(yīng)的影響，結(jié)果表明容器壁面撞擊點(diǎn)附近的變形更容易受充液比的影響。Hopson等[3]針對(duì)液壓水錘初始沖擊階段的壓力進(jìn)行了測(cè)量分析，并比較了不同類(lèi)型的壓力傳感器測(cè)壓的準(zhǔn)確性。Disimile等[4]測(cè)量分析了水錘效應(yīng)不同階段的壓力特性，結(jié)果表明在某些情況下，空腔潰滅的壓力甚至大于破片初始入水的壓力。Deletombe等[5]利用步槍子彈分別對(duì)充水容器和可視作無(wú)限水域的水池進(jìn)行了射擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水池中產(chǎn)生的空腔體積約為容器中的6倍。Lingenfelter等[6]利用高速攝影同步記錄了破片入水形成空腔和破片入射孔處噴濺液體的形態(tài)變化，探究了液壓水錘效應(yīng)中空腔動(dòng)力學(xué)和其引發(fā)的瞬態(tài)噴霧間的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)針對(duì)液壓水錘的試驗(yàn)研究較少。沈曉樂(lè)等[7]利用3.3 g立方體破片對(duì)模擬液艙進(jìn)行了射擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提高破片將產(chǎn)生墩粗和侵蝕，造成迎流面積的增加和質(zhì)量的下降，從而使破片侵徹能力在速度較高時(shí)反而下降。仲?gòu)?qiáng)等[8]開(kāi)展了3類(lèi)陶瓷/液艙復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗侵徹試驗(yàn)研究，得到了不同類(lèi)型液艙結(jié)構(gòu)前后面板的破壞形式。張偉等[9]對(duì)高速?gòu)楏w入水產(chǎn)生的沖擊波及傳播特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。郭子濤[10]針對(duì)不同頭型彈丸入水穩(wěn)定性以及空腔擴(kuò)展特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但并未涉及水錘效應(yīng)。本文針對(duì)破片撞擊充液容器形成液壓水錘展開(kāi)了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，由彈道槍、破片、攔截裝置、破片測(cè)速系統(tǒng)(測(cè)速靶和計(jì)時(shí)儀)、充水水箱、高速錄像機(jī)和壓力測(cè)量系統(tǒng)等組成，彈道槍與水箱之間的距離約為3.2 m。試驗(yàn)破片為直徑9.5 mm的鎢球，質(zhì)量8 g。攔截裝置為開(kāi)孔的厚鋼板，用于攔截在槍口分離的彈托碎片以免其撞擊水箱干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)采用Phantom V641型高速錄像機(jī)記錄破片撞擊容器以及空腔變化的全過(guò)程，高速錄像機(jī)的幀率設(shè)為5000幀/s，為了便于錄像機(jī)清晰地記錄破片的運(yùn)動(dòng)軌跡，在水箱后方布置白色背景布。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.2 Sketch of the experimental set-up

如圖3(a)所示，試驗(yàn)所用的容器為一長(zhǎng)方體容器。容器長(zhǎng)500 mm，寬400 mm，高400 mm，沿彈道方向的容器前后面板為4 mm厚的2A12 T4鋁合金板，兩側(cè)為18 mm厚的有機(jī)玻璃，后面的有機(jī)玻璃上貼有坐標(biāo)紙，容器頂部和底部為10 mm厚的2A12 T4鋁合金板。通過(guò)螺釘將靶板和有機(jī)玻璃固定，試驗(yàn)前向容器中注滿水，靶板和玻璃的縫隙用玻璃膠進(jìn)行密封，防止漏水。試驗(yàn)使用3枚壓力傳感器記錄水中的壓力變化情況，傳感器編號(hào)和安裝位置如圖3所示，編號(hào)P1的傳感器安裝在前面板中心豎直向下50 mm處，編號(hào)P2和P3安裝在底面的中線位置，距前面板分別100 mm和200 mm。傳感器的型號(hào)為JF-YD-214，量程100 MPa，靈敏度為37.6 PC/MPa。使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為1 MHz。

(a) 實(shí)物圖(a) Test container

(b) 示意圖(b) Sketch of the container圖3 壓力傳感器編號(hào)及安裝位置Fig.3 Number and location of pressure transducers

通過(guò)調(diào)整發(fā)射藥裝藥量來(lái)控制破片的撞擊速度，由測(cè)速系統(tǒng)和高速錄像機(jī)同時(shí)記錄破片的速度。試驗(yàn)共進(jìn)行6發(fā)射擊，剔除因彈托碎片撞上箱體的無(wú)效射擊后剩余4發(fā)射擊，由高速錄像機(jī)得到破片的撞擊速度vi分別為909 m/s、948 m/s、995 m/s和1186 m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 空腔特性

取破片撞擊前面板時(shí)刻為t=0 μs，破片撞擊速度為909 m/s時(shí)高速錄像機(jī)記錄的破片侵徹面板入水及空腔變化過(guò)程如圖4所示。從圖中可以看出，破片撞擊前面板瞬間產(chǎn)生大量火光，隨后破片沖擊入水，前面板撞擊位置附近迅速向外鼓起，破片頭部和前面板間產(chǎn)生一個(gè)圓錐狀的空腔，空腔內(nèi)的氣體主要由從入射孔進(jìn)入的空氣和局部低壓導(dǎo)致的氣化水蒸氣組成。隨著破片在水中的運(yùn)動(dòng)，空腔沿著徑向和軸向迅速擴(kuò)張，且空腔內(nèi)的灰色發(fā)生了變化，說(shuō)明空腔內(nèi)部存在著流場(chǎng)變化。t=1000 μs時(shí)，破片撞擊后面板，后面板內(nèi)表面在撞擊點(diǎn)位置出現(xiàn)一圈氣泡并迅速沿徑向擴(kuò)展，如圖5所示。這是由于破片撞擊后面板的沖擊波強(qiáng)度超過(guò)了水的抗拉上限，因此沖擊波附近的水域在水的慣性作用下會(huì)出現(xiàn)空化氣泡[11]?？涨辉谄破┏龊笕栽诔掷m(xù)膨脹，與破片在水中時(shí)不同，此時(shí)空腔形狀呈不對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)前后面板的變形量和變形范圍都在不斷增大。t=3800 μs左右，由于空腔膨脹產(chǎn)生的巨大壓力，固定靶板和有機(jī)玻璃的螺釘被崩開(kāi)，空腔膨脹不再受容器邊界限制?？涨煌Ｖ古蛎浐箝_(kāi)始從兩端沿軸向向中心收縮并凹陷，并從凹陷位置噴出射流。t=20 000 μs左右，空腔開(kāi)始潰滅，產(chǎn)生了較大的壓力波，同時(shí)有機(jī)玻璃表面出現(xiàn)大量氣泡。隨后空腔出現(xiàn)二次膨脹，由于沖擊輻射和額外的耗散現(xiàn)象，空腔體積遠(yuǎn)小于第一次。

(a) t=0 μs (b) t=1000 μs

(c) t=1200 μs (d) t=2400 μs

(e) t=3800 μs (f) t=8200 μs

(g) t=14 200 μs (h) t=18 200 μs

(i) t=20 000 μs (j) t=24 000 μs圖4 空腔的變化過(guò)程(vi=909 m/s)Fig.4 Evolutions of cavity (vi=909 m/s)

(a) t=1000 μs (b) t=1200 μs圖5 破片撞擊后面板形成的空化氣泡Fig.5 Cavitation caused by fragment impacting the rear panel

2.2 壓力數(shù)據(jù)分析

圖6為vi=909 m/s時(shí)壓力傳感器測(cè)得的壓力曲線。圖6(a)為初始沖擊階段的壓力曲線，從圖中P1傳感器的壓力曲線可以看出，20 μs左右，壓力曲線出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，峰值約為0.22 MPa，該壓力為破片撞擊前面板導(dǎo)致。當(dāng)破片撞擊入水后，壓力峰值迅速上升，峰值達(dá)16.49 MPa，隨后由于初始沖擊波的反射，曲線抖動(dòng)，出現(xiàn)多個(gè)較小的局部峰值。P2和P3距離入射位置較P1遠(yuǎn)，故初始沖擊波壓力峰值小，到達(dá)

(a) 0～400 μs

(b) 0～5000 μs

(c) 13 000～28 000 μs圖6 壓力變化曲線(vi=909 m/s)Fig.6 Pressure history (vi=909 m/s)

時(shí)間長(zhǎng)，和P1分別相差110 μs和154 μs。P2和P3壓力峰值相近，但P2出現(xiàn)了第二個(gè)峰值，有可能是來(lái)自傳感器固定底座的反射波[3]。

圖6(b)為空腔膨脹時(shí)的壓力曲線，從P1曲線可以看出，壓力在初始沖擊過(guò)后在0 MPa附近來(lái)回震蕩，在1400 μs左右，圖中箭頭位置出現(xiàn)了一個(gè)較小的局部峰值，該峰值與破片初始沖擊波峰值的時(shí)間差為1368 μs。結(jié)合高速攝影可知，1000 μs左右破片撞擊后面板，若產(chǎn)生的沖擊波以水中聲速1400 m/s傳播，則沖擊波到達(dá)前面板所需時(shí)間為360 μs。結(jié)合以上分析，可以認(rèn)為該局部峰值是由于破片撞擊后面板產(chǎn)生的沖擊波傳播至P1處導(dǎo)致。3500 μs后由于傳感器P1被空腔包圍在內(nèi)，壓力下降到-1 MPa左右，遠(yuǎn)小于水的飽和蒸汽壓，該壓力即為空腔尾部的壓力。P2和P3曲線在沖擊階段后在0 MPa附近震蕩，空化階段的震蕩幅度要小于拖拽階段。

圖6(c)為空腔收縮和潰滅時(shí)的壓力曲線，由圖可知空腔收縮時(shí)P1傳感器的壓力小于0 MPa，而P2和P3保持在0 MPa左右。20 000 μs后空腔潰滅產(chǎn)生沖擊波，P1、P2和P3此時(shí)記錄的壓力峰值分別為0.3 MPa、3.9 MPa和12.6 MPa。

不同破片撞擊速度時(shí)的壓力變化曲線如圖7所示，其中vi=995 m/s的P1傳感器和vi=1186 m/s的P3傳感器出現(xiàn)異常，未記錄到有效數(shù)據(jù)，而vi=995 m/s的P2傳感器在200 μs后斷開(kāi)，之后為無(wú)效數(shù)據(jù)。從圖7(a)可以看出，除了初始沖擊波壓力峰值隨著破片撞擊速度的增加而增大外，壓力變化規(guī)律也不同，vi=948 m/s時(shí)，撞擊點(diǎn)距離傳感器約30 mm，初始沖擊波壓力脈沖過(guò)后迅速出現(xiàn)一個(gè)幅值23.0 MPa負(fù)壓脈沖，持續(xù)時(shí)間約為50 μs；vi=909 m/s時(shí)，撞擊點(diǎn)距離傳感器約46 mm，初始沖擊波壓力脈沖后出現(xiàn)幾個(gè)峰值較小的抖動(dòng)；vi=1186 m/s時(shí)，撞擊點(diǎn)距離傳感器約61 mm，反射波壓力脈沖的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且初始沖擊波壓力脈沖與反射波壓力脈沖峰值相差不大。綜合文獻(xiàn)[12-13]的觀點(diǎn)，這種差異是由于每次撞擊點(diǎn)位置不同造成的。破片入水產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程可以視作位于撞擊位置的點(diǎn)源產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程[1]，類(lèi)似于水下爆炸中的局部空化效應(yīng)，沖擊波接觸前面板發(fā)生反射后，入射波和反射波疊加在結(jié)構(gòu)的流固耦合面會(huì)形成負(fù)壓區(qū)[13]，因此距離撞擊點(diǎn)較近的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。從圖7(b)和圖7(c)可以看出，由于初始沖擊波在水中衰減較快，位于容器底部的P2和P3的壓力峰值隨著破片撞擊速度的增加略有增大，脈沖持續(xù)時(shí)間和形狀無(wú)較大差別。

(a) P1

(b) P2

(c) P3圖7 不同破片撞擊速度的壓力曲線Fig.7 Pressure time history for different fragment impact velocity

2.3 容器面板變形

圖8為vi=909 m/s時(shí)試驗(yàn)后的前后面板，前面板未出現(xiàn)明顯變形，破壞模式以剪切沖塞為主[8]；而后面板撞擊位置區(qū)域附近存在一定程度的碟形變形，穿孔周?chē)嬖趲椎牢⑿〉牧鸭y，呈花瓣?duì)铋_(kāi)裂。由于面板的變形量較小，難以使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法獲得，因此采用精度為0.085 mm的MetraScan三維掃描儀對(duì)前后面板進(jìn)行掃描。掃描時(shí)將面板置于參考水平面，即可以得到面板表面與參考水平面距離，間接獲得面板的變形情況。面板的變形云圖如圖9所示，從圖中可以看出前面板與參考水平面的距離略大于面板厚度，大部分集中在4～5 mm之間，且變形分布較為均勻；而后面板的大變形主要集中在撞擊點(diǎn)附近，且變形程度大于前面板。

(a) 前面板(a) Front panel

(b) 后面板(b) Rear panel圖8 容器的面板變形(vi=909 m/s)Fig.8 Deformation of the container panels (vi=909 m/s)

(a) 前面板(a) Front panel

(b)后面板(b) Rear panel圖9 面板變形云圖(vi=909 m/s)Fig.9 Deformation contour of the panels (vi=909 m/s)

以面板左下角為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，得到面板沿x和y方向與參考水平面最大距離d，如圖10所示，橫坐標(biāo)L為距原點(diǎn)距離。由圖可知前面板的變形曲線較不光滑，變形范圍隨著撞擊速度的增大沿撞擊點(diǎn)向四周擴(kuò)展，撞擊速度對(duì)最大變形的影響較小；不同速度的后面板變形曲線形狀較為一致，撞擊位置兩側(cè)變形較為對(duì)稱(chēng)。撞擊速度的增大不僅使得破片穿出階段的速度增大，也增大了穿出前作用在后壁面上的液壓載荷，因此后壁面的最大變形及變形范圍都隨著速度的增大而變大，撞擊速度較小時(shí)遠(yuǎn)離撞擊位置處幾乎不存在變形。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)破片穿孔的直徑約為11 mm，為破片直徑的1.16倍。

(a) 前面板x方向(a) Front panel in x direction

(b) 前面板y方向(b) Front panel in y direction

(c) 后面板x方向(c) Rear panel in x direction

(d) 后面板y方向(d) Rear panel in y direction圖10 面板與參考水平面最大距離Fig.10 Maximum distance between the panels and reference level surface

利用上述方法可以得到前面板入射孔中心位置，并計(jì)算得到入射孔中心與傳感器的距離，結(jié)合P1、P2、P3傳感器壓力峰值間隔時(shí)間，求得的初始沖擊波從撞擊位置至P2和P2至P3處的平均傳播速度u1和u2，如表1所示。從表中可以看出，初始沖擊波從撞擊位置傳至P2處時(shí)平均傳播速度大于水中聲速，且速度隨著破片撞擊速度的增加而增大；而當(dāng)初始沖擊波從P2處傳播至P3處時(shí)，傳播速度受破片撞擊速度影響不大，均已經(jīng)衰減到約1370 m/s，略小于水中聲速。這可能是由于壓力傳感器的采樣率有限，未能記錄到初始沖擊波的壓力峰值導(dǎo)致。以vi=909 m/s為例，當(dāng)P2和P3的壓力峰值間隔時(shí)間分別減小1 μs和2 μs時(shí)，計(jì)算得到的平均波速分別為1408 m/s和1442 m/s。這也能解釋圖6(a)中P2處的壓力峰值小于P3處的壓力峰值這一現(xiàn)象。

表1 計(jì)算得到的沖擊波平均波速

3 結(jié)論

1)高速破片撞擊充水容器時(shí)，由于破片撞擊后面板時(shí)產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度超過(guò)了水的抗拉上限，沖擊波附近的水域在水的慣性作用下會(huì)出現(xiàn)空化氣泡，氣泡在后面板內(nèi)表面從撞擊點(diǎn)位置迅速沿徑向擴(kuò)展。

2)液壓水錘初始沖擊階段，由于破片沖擊入水產(chǎn)生沖擊波接觸前面板后發(fā)生反射，而入射波和反射波疊加在結(jié)構(gòu)的流固耦合面會(huì)形成一定的負(fù)壓區(qū)，因此距離撞擊點(diǎn)較近的區(qū)域在初始沖擊波壓力脈沖過(guò)后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大負(fù)壓，而距離撞擊點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域則不受負(fù)壓影響。容器底部的壓力持續(xù)時(shí)間和形狀受撞擊位置影響不大。

3)利用三維掃描儀能得到高精度的容器面板變形數(shù)據(jù)，前面板整體變形較小，變形范圍隨著撞擊速度的增大沿撞擊點(diǎn)向四周擴(kuò)展；而后面板穿孔呈花瓣?duì)铋_(kāi)裂，撞擊位置區(qū)域附近存在一定程度的碟形變形，最大變形及變形范圍都隨著破片撞擊速度的增大而變大。