双破片撞击充液容器时液体内压力分布研究

蓝肖颖， 李向东， 周兰伟， 纪杨子燚

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

当高速侵彻体(如子弹或战斗部的破片)撞击并侵入充液容器(如油箱、油罐车、输油管道等)时，会在液体中形成一个很强的压力场，压力载荷作用在容器结构上，这被称为液压水锤效应[1]。若容器内为易燃液体，液压水锤效应可能导致燃料箱爆裂、引燃等。油箱是飞机上面积较大易损部件，受到撞击可能导致灾难性故障。例如2000年发生的法国航空4590号班机空难，最后的调查报告显示，造成飞机失事的重要原因是破片撞击飞机油箱时引起的液压水锤效应[2]。

由于油液易燃易爆，直接进行高速冲击试验时不易控制且容易发生危险，因此试验研究时多采用与油液有相似密度的水来替代。Ball[3]首先用22 mm口径步枪和立方体充液箱展开了水锤效应的试验研究，指出弹丸的入射角度和质量是影响其能量损失的主要因素，而弹丸形状和质量对剩余速度及冲击波的影响较小。McMillen等[4-5]用球形破片垂直侵彻水面，得到破片入水速度小于1 220 m/s时，产生的冲击波传播速度为水中声速的结论，并且认为冲击波压力峰值沿波阵面以P=P90sin(θ-7°)的方式衰减，P90表示弹道方向上的压力，θ表示测量点与弹道方向的夹角，而在弹道方向上，冲击波强度与弹丸运动的距离成反比。Patterson[6]将水锤效应分为入射阶段、冲击阶段、阻滞阶段、空腔阶段和破片穿出壁面阶段，并通过理论分析和试验验证得出每个阶段的压力分布。Disimile等对单破片撞击充液容器进行了试验研究，着重分析在冲击时产生的初始冲击波，并研究了初始冲击波沿不同角度、距离的变化。……