液压水锤效应对容器毁伤的试验研究

张 一，徐 强

(南京理工大学 机械工程学院仪器仪表工程， 南京 210000)

当高速侵彻体(如子弹或战斗部的破片)穿透装有液体的容器(如油箱、油罐车、输油管道等)壁并进入液体时，一个很强的压力场在液体中形成并传播，产生的压力载荷作用在容器结构上，该现象被称为液压水锤现象[1]。

液压水锤对容器结构有很强的破坏作用，水锤效应起源于对飞机易损性的研究，因为油箱是典型的装有液体的容器，是飞机上一个体积较大的关键部件，其毁伤直接关系到飞机的生存。在越南战争中，很多低空飞行的飞机被小火力武器击落，在“沙漠风暴”军事行动中，75%的飞机失事是由于燃油系统破坏引起的[2]。

针对水锤效应，作者查阅大量国内外相关文献，发现国内很多战场目标的设计更多偏重于功能，对于易损性和战场生存能力的研究不够重视，因此关于高速物体撞击装有液体容器引起结构毁伤的研究(水锤效应)几乎是空白[3-4]。国外P.Stephani等人仅从数值分析方面研究，D.Varas等人的研究由于侵彻体的速度为600 m/s，不能满足未来的应用需求，并且只测试了压力和箱体应变，没有分析这些参数之间的关系[5-9]。为了满足未来应用的迫切需求，深入开展水锤效应对容器结构毁伤机理的研究是非常必要的。

本文通过模拟高速破片对油箱的侵彻过程，测试侵彻过程中高速破片速度，模拟油箱压力及气腔大小的变化数据，分析液压水锤效应对容器的破坏作用。

1 试验设计

1.1 试验方案设定

该试验平台由弹道枪，测速靶和模拟容器组成，如图1所示。弹道枪射出高速破片，穿透带有计时仪的两块锡箔靶，通过时间差计算出破片实际撞击箱体的初速度。高速摄影仪记录高速破片进入模拟容器后的运动情况以及在高速破片后形成的气腔大小，根据高速录像的摄像频率计算高速破片在容器内的运动速度[10]。

在箱体里面注满水，通过调整不同发射装药量，使破片获得不同的速度。共进行三发试验，第一发和第三发箱体不加盖，第二发箱体加盖。

1.2 测试系统的组成

该试验通过压电传感器将箱体内的压力转换成电信号，数采系统将采集到的电信号保存到PC端。该试验采用JF-YD-214型号压电传感器，压力范围为2 000～100 000 Pa，灵敏度为3.76PC/105Pa(静标)mv/105Pa。

实验中在容器的底面和前侧面上安装压力传感器(图2所示)，1号传感器安装在沿入射方向前板面上距离靶孔50 mm的位置，2、3号传感器安装在底板中心线上分别距离前板面100 mm，200 mm的位置。测试不同速度下不同位置处箱体内液体的压力[11]。

1.3 模拟容器的结构

该试验中使用的模拟容器如图3所示。模拟容器规格为500 mm×400 mm×400 mm。容器前后两侧壁为2A12 T4铝合金板，厚度为4 mm，左右两侧壁为有机玻璃，厚度为18 mm，左边的有机玻璃后面放置网格背景板。水箱底部为400 mm×500 mm×10 mm厚2A12 T4铝合金板。金属板和有机玻璃通过螺钉固定。容器缝隙处使用玻璃胶进行密封，防止漏水。

2 测试结果和分析

2.1 压力和速度关系

试验中1号压力传感器测得的压力时间曲线如图4所示(第一发1号传感器数据不准确，剔除)。

在这两发侵彻过程中，1号传感器测得的压力波形很相似，由于第二发破片动能较大，造成所测压力峰值较大。分析曲线可知，第一个波峰即为水锤效应第二阶段的最大压力，持续时间大约56 μs，在第二阶段结束之后，压力值下降到0 MPa左右，然后进入水锤效应的第三阶段。第二发在进入第三阶段后出现两个反向负压，然后压力稳定在-9 MPa左右，结合高速摄影录像可知此时气腔已经进入稳定膨胀阶段，且水箱沿破片入射方向前壁面处的气腔直径已经超过破片撞击点与压力传感器的距离。之前的压力振荡就是气腔刚开始形成时产生的压力波动。第3发的第三阶段压力比第二阶段压力小得多，大小在2 MPa左右波动。侵彻产生的冲击波为球形波，以撞击点为中心在液体中传播，因为球面波衰减速度很快，所以第一个波峰持续时间很短。

试验中二号、三号压力传感器测得的压力时间曲线如图5、图6所示。

将图5、图6与图4相比较，压力上升较为缓慢，并且作用时间短，只有20 μs左右。造成该现象的原因为破片侵彻箱体后，在箱体内形成球面波，压力传感器测得的压力峰值为球面波传播到传感器上方位置时产生的。破片动能越大，产生的压力峰值越大。发现1号和3号的波形比较相似，随着压力传感器与前壁面距离的增加，能更加完整地反映压力波形。

试验中第二发、第三发中3个压力传感器测得的压力时间曲线如图7、图8所示。

在侵彻过程中，两组波形大体相似，分析曲线可知，第二发试验中1号传感器第一个压力脉冲的峰值为25.48 MPa，第三发试验中1号传感器第一个压力脉冲的峰值约为16.49 MPa。第二发破片的动能比第三发动能大，并且第三发试验中，传感器距离实际撞击点的距离又大于第二发的距离，所以第二发试验中前壁面的压力脉冲峰值大于第三发试验中前壁面的压力脉冲峰值。而第三发试验中3个传感器的第一个压力脉冲的时间间隔与第二发试验中3个传感器的第一个压力脉冲的时间间隔较为一致，水箱底面两枚传感器测得的第一个压力脉冲的波形和峰值也较为一致。可见，破片的初始动能值对水箱沿入射方向前壁面上的压力脉冲的峰值有影响，对水箱底面的压力脉冲的峰值及不同位置处传感器的第一个压力脉冲的时间间隔影响不大。是否加盖对箱体底面的压力大小影响不大。

2.2 气腔和速度关系

通过高速摄影得到的图像，分析水锤作用过程中高速破片在箱体中速度衰减和气腔大小之间的关系，如图9、图10所示。

分析图9，对比第一发和第三发速度衰减曲线，发现虽然初速度相差较大，但是速度衰减规律大体相同，破片在箱体中的速度衰减系数为1.38。对比第一发和第二发速度衰减曲线，虽然初速度相差不大，但是速度衰减规律相差较大，第二发破片在箱体中的速度衰减系数为1.44。破片速度的衰减与箱体是否加盖有较为明显的关系，加盖的条件下，速度衰减较快。密闭条件下，箱体内的能量释放较慢，对破片的阻力大。

通过图10，分析曲线发现第一发和第三发，两条曲线基本平行，说明破片撞击水介箱的速度越大，在破片撞击水箱初期形成气腔的直径越大。加盖的第二发与不加盖的第一发相比，破片的撞击速度相差不大，但气腔的长度和直径曲线却位于第一发试验中气腔长度和直径曲线的下方，说明破片运动至水箱中的相同位置时，不加盖的水箱中的气腔直径比加盖的水箱中的气腔直径要大。第二发试验中气腔长和直径曲线的斜率变化不大，截距小很多，说明气腔直径长度的膨胀规律不变。是否加盖对气腔形成初期影响较大。

3 结论

1) 通过对容器前壁面的压力测量可知，容器沿入射方向前壁面上承受水锤效应第二阶段的压力最大，且压力脉冲持续的时间约为56 μs，压力脉冲过后前壁面所受压力值下降至0 MPa左右。水锤效应第三阶段作用在沿破片入射方向前壁面上的压力与第二阶段相比很小。

2) 第三阶段压力脉冲与第二阶段相比，压力大小上升较为缓慢，并且压力作用时间也很短，约20 μs左右。破片产生的压力与破片初始动能有关，破片初始动能越大，水锤作用过程中破片产生的压力越大。

3) 破片初始动能对前壁面压力影响大，但是对箱体底面的压力峰值及不同位置处传感器的第一个压力时间间隔影响不大。

4) 破片撞击速度对气腔的膨胀规律影响不大，水箱加盖与不加盖对气腔的膨胀规律影响较大。即破片运动至水箱中的相同位置处时不加盖的水箱中气腔直径比加盖的水箱中的气腔直径要大。

试验表明，在箱体密封的前提下，增大高速破片的侵彻速度，使箱体前表面造成的毁伤更严重。

参考文献：

[1] SOPER W R.Hydraulic Ram Studies[M].Hydraulic Ram Studies,1973.

[2] 刘国繁,陈照峰,王永健,等.飞机油箱水锤效应研究方法及进展[J].航空工程进展,2014,5(1):1-6.

[3] 曹兵.不同破片对模拟巡航导弹油箱毁伤实验研究[J].火工品,2008(5):10-13.

[4] 杜忠华,闰文敏,朱建生.破片撞击充液密闭油箱的实验研究及数值仿真.[J]实验力学,2008,23(6).

[5] CHEN Liang,SONG Bifeng,PEI Yang.Simulation Analysis of Hydrodynamic Ram Phenomenon in Composite Fuel Tank to Fragment Impact[C]//Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.[S.l.]:[s.n.],2011.

[6] VARAS D,ZAERA R,LOPEZ-PUENTE J.Numerical modelling of partially filled aircraft fuel tanks submitted to Hydrodynamic Ram[J].Aerospace Science and Technology,2012,16:19-28.

[8] NICOLAS LECYSYN,AURÉLIA BONY-DANDRIEUX,LAURENT APRIN.Experimental study of hydraulic ram effects on a liquid storage tank:Analysis of overpressure and cavitation induced by a high-speed projectile[J].Journal of Hazardous Materials,2010,178:635-643.

[9] SAUER M.Simulation of high velocity impact in fluid-filled containers using finite elements with adaptive coupling to smoothed particle hydrodynamics[J].International Journal of Impact Engineering,2011,38:511-520.

[10] 李良威,娄国伟.高速摄影法测量弹丸的破片速度[J].光子学报,1991,20(4):438-442.