冲击载荷下蓄液结构动响应及防护机理的研究进展

工程实际中,飞机油箱、船舶液舱、油液储罐等各类蓄液结构可能面临炸药爆炸冲击波、弹丸侵彻等冲击载荷的威胁。在冲击载荷作用下,蓄液结构的动响应受载荷特性、结构形式、充液方式等多种因素影响,相应的结构防护机理涉及多相介质的流固耦合、波在不同介质中的传播、液体介质的空化、结构动态力学特性等多个科学问题。针对冲击载荷下蓄液结构的动响应及防护机理,总结了工程领域中典型的蓄液结构形式,分析了各类蓄液结构在爆炸冲击波、弹体侵彻及其联合作用等载荷下的结构动响应过程、结构破坏模式、载荷耗散过程、能量转化与吸收过程,总结了蓄液结构的冲击动响应特性,归纳了蓄液结构对各类冲击载荷的防护机理,从结构构型、结构动响应、理论研究方法、抗冲击防护技术等方面对蓄液结构抗冲击防护研究进行了展望。

高速杆式弹体侵彻下蓄液结构载荷特性的有限元分析

为探讨高速弹体侵彻下蓄液结构的防护方法,采用瞬态非线性有限元,研究了高速杆式弹体侵彻下蓄液结构承受的冲击载荷特性,分析了冲击载荷的作用过程、前后板承受的载荷强度及其弹体初速度和水域尺度的影响。结果表明:弹体在蓄液结构中的初始开坑作用,将形成入射冲击波,其压力峰值极高,但作用时间短,并将在液体内产生多次反射;弹体在液体中的侵彻,将产生空化,并形成峰值小、作用时间长的空化压力载荷;后板对液体流的阻碍作用将形成出口局部高压;入射冲击波和出口局部高压的强度随着弹体初速度的增加而增大,随着水域长度的增加而不断减小。根据所受冲击载荷特性的不同,将前、后板分别划分为3个不同的区域,并建立了每个分区的简化计算模型。

高速杆式弹侵彻下蓄液结构耗能机理数值分析

为探讨蓄液结构的耗能机理,采用瞬态非线性有限元,揭示了杆式弹侵彻下蓄液结构的破坏过程和模式,研究了其能量耗散机制,并对比分析了有无液体时蓄液结构前后面板不同厚度配比下的弹道极限速度。结果表明:弹体侵入蓄液结构后,其冲击动能主要转化为液体的动能;弹体射出后,液体通过空泡膨胀挤压蓄液结构变形的方式,将其动能再逐步转化为结构的变形能。固定蓄液结构前后面板总厚度8mm不变,未蓄液下其弹道极限速度随前后面板厚度比的增大呈先增加后降低的趋势,在前后面板厚度配比为4/4时抗侵彻能力最强;蓄液时其弹道极限度随前后面板厚度比的增加而不断降低,在厚度配比为1/7时抗侵彻能力最强。

高速杆式弹侵彻下蓄液结构的防护能力

为提高蓄液结构的防护能力,开展蓄液结构弹道侵彻实验,通过改变其前、后面板厚度配比,研究前、后面板不同厚度匹配对蓄液结构破坏模式、压力载荷特性及防护能力的影响。结果表明:弹丸初速是影响入射波压力峰值大小的主要因素。固定前、后面板总厚度不变时,随着前、后面板厚度比的增大,前面板破坏模式由剪切冲塞-薄膜鼓胀-凹陷变形转变为剪切冲塞-薄膜鼓胀直至剪切冲塞破坏,后面板破坏模式由隆起-碟形破坏转变为薄膜鼓胀-花瓣开裂破坏。前、后面板破坏模式是相互影响的,前、后面板厚度匹配关系决定了其相应破坏模式的发生。前面板薄后面板厚的蓄液结构吸收冲击动能更多,抗侵彻能力也更强。

弹体低速撞击下蓄液结构毁伤特性研究

为了研究蓄液结构在弹体低速侵彻作用下的损伤失效特性,利用轻气炮结合高速摄影技术对蓄液结构进行了两种不同形状弹头的低速撞击实验。对两种弹体入水后的速度衰减及空泡扩展分别进行了分析,进而获得了蓄液结构内空泡扩展及溃灭的典型作用过程及蓄液结构前后面板的典型失效模式,并在此基础上讨论了弹速及弹头形状对结构损伤的影响。研究结果表明:相同速度条件下,半球形弹在水中的速度衰减及产生的空泡半径均弱于平头弹,平头弹对蓄液结构造成的毁伤程度更大,在该研究速度范围内,靶板的局部变形量与弹速成线性关系。