郭軍 張宇 舒挽

摘要：通過(guò)動(dòng)力學(xué)有限元工具構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)水錘效應(yīng)進(jìn)行撞擊穿透數(shù)值模擬分析研究，得到比較有效的水錘效應(yīng)模擬分析方法;對(duì)比研究文獻(xiàn)資料的分析方法，得到合理有效的建模方法，通過(guò)分析摸清水錘效應(yīng)的原理及其破壞機(jī)理。利用二級(jí)氣炮發(fā)射子彈撞擊充液的箱體進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證水錘效應(yīng)的原理;在此過(guò)程中，研究了試驗(yàn)控制方法，得到了該試驗(yàn)方法的控制流程;通過(guò)對(duì)速度、應(yīng)變及壓力的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法研究，得到了試驗(yàn)測(cè)試方法，最終建立油箱水錘效應(yīng)試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：二級(jí)氣炮;水錘效應(yīng);數(shù)值模擬;試驗(yàn)方法;有限元

中圖分類號(hào)：V312????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???? D〇I：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.0011

目前，對(duì)飛機(jī)的生存力而言，燃油箱結(jié)構(gòu)的安全性是極其重要的內(nèi)容之一，而燃油箱發(fā)生破損主要緣于兩種現(xiàn)象：一是水錘效應(yīng);二是燃爆效應(yīng)。當(dāng)充液箱體受到高速射彈沖擊時(shí)，其壁板將被穿透，高速射彈的一部分動(dòng)能將迅速傳遞到箱體內(nèi)的液體中，使得液體產(chǎn)生劇烈振蕩，伴隨有空腔、高壓等現(xiàn)象，導(dǎo)致燃油箱產(chǎn)生裂縫甚至嚴(yán)重破損，造成燃油泄漏等危險(xiǎn)情況，可能使飛機(jī)失去其重要組成結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象便被稱作水錘效應(yīng)。對(duì)未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)要求的輕質(zhì)量設(shè)計(jì)而言，整體燃油箱結(jié)構(gòu)將扮演重要角色，而水錘效應(yīng)在整體燃油箱結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)的更加明顯。

近年來(lái)，關(guān)于飛機(jī)燃油箱結(jié)構(gòu)破損造成的事故引起了廣泛關(guān)注，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）在1990年就開展了飛行器災(zāi)難性事故防護(hù)研究，其中燃油箱結(jié)構(gòu)的沖擊防護(hù)研究就是重點(diǎn)之一;在“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)中，墜毀的飛機(jī)中75%是由于燃油箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沖擊破損而墜毀，其中最多的事故原因是發(fā)生了水錘效應(yīng);2000年，法國(guó)一架“協(xié)和”號(hào)飛機(jī)墜毀，其原因也是發(fā)生了水錘效應(yīng)。因此，高速射彈典型沖擊下典型燃油箱結(jié)構(gòu)水錘效應(yīng)研究是飛機(jī)易損性設(shè)計(jì)中不可忽略的問(wèn)題之一，對(duì)提高飛機(jī)的生存力有著重要意義。

1射彈格柵油箱研究

本文通過(guò)格柵油箱彈道毀傷有限元分析建模，并通過(guò)參考文獻(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證，完成了彈體入水速度衰減規(guī)律及沖擊過(guò)程中產(chǎn)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(xiàn)象是指液體內(nèi)局部壓力低于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，液體內(nèi)部或固液交界面上生成空泡的現(xiàn)象。通過(guò)大量文獻(xiàn)中的資，可以看到高速?gòu)楏w入水時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。為了表征空化的程度，空化數(shù)σ成為描述空泡流動(dòng)的重要無(wú)量綱參數(shù)：

式中：p=p+pgh為參考點(diǎn)處壓力，p為自由液面壓力，ρgh為水深產(chǎn)生的壓力;ρ為液體密度;p（T）為溫度為T時(shí)液體的飽和蒸汽壓力;υ為液體來(lái)流速度（即彈體水中運(yùn)動(dòng)速度）。

由于本文試驗(yàn)中彈體水深有限，所以水深產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自由界面大氣壓力，因此本文忽略水深對(duì)空化數(shù)的影響，簡(jiǎn)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(shù)。

當(dāng)彈丸高速入水后，整個(gè)彈丸都包裹于生成的空泡中，導(dǎo)致彈丸受到的主要阻力則是來(lái)自于彈體所承受的壓差阻力，而摩擦阻力很小。根據(jù)假設(shè)不考慮重力的影響，根據(jù)牛頓第二定律：

式中：m為彈體質(zhì)量，A為彈丸在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的投影面積，C=C（1+σ）為阻力系數(shù)和空化數(shù)的關(guān)系。

在本文中，充液箱體寬度為700mm，通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈體初速度為900m/s時(shí)，剩余速度大約為500m/s，取σ=0.012，則C=0.405?0.416。

假設(shè)C為定值，將式（3）進(jìn)行積分，可以得到彈丸速度隨時(shí)間的變化方程：

式中：R為彈丸半徑。

對(duì)式（4）進(jìn)行積分，可以得到彈丸位移隨時(shí)間變化方程：

1.2空穴特性分析

空穴的擴(kuò)展是研究彈體水下運(yùn)動(dòng)的重點(diǎn)內(nèi)容。在本文的分析中，認(rèn)為彈體在水中損失的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為空穴周圍流體的動(dòng)能以及空穴內(nèi)的勢(shì)能。

針對(duì)球形端頭彈體高速垂直入水，M.Lee等利用分布點(diǎn)源理論得到空穴周圍的流體動(dòng)能E：

式中：R為空泡半徑;N=ln（R/R）為無(wú)量綱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，表示彈丸入水沖擊的擾動(dòng)范圍;R為擾動(dòng)最大半徑?？昭▋?nèi)勢(shì)能dE：

式中：為空穴內(nèi)外壓差;S為空泡面積。

彈體動(dòng)能dE：

根據(jù)能量守恒定理，有dE+dE=dE，即：

假設(shè)C為定值，考慮近似關(guān)系式，求解式（11）得到：

式中：x為t時(shí)刻彈體的位移;x為t時(shí)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(jī)玻璃組成，采用4340鋼材彈體，直徑12.5mm，質(zhì)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(yàn)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(jié)果與Varas等的試驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合很好。圖3是在沖擊過(guò)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(duì)比驗(yàn)證，證明本文建立的有限元模型方法的準(zhǔn)確性。基于上述模型，建立3×3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(shí)，射彈速度發(fā)生銳減;燃油箱充液比例對(duì)射彈速度衰減規(guī)律基本沒(méi)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(yùn)動(dòng)時(shí)，射彈受燃油箱壁板和液體阻力影響，速度衰減，并將動(dòng)能傳遞給燃油箱壁板和液體。

圖5顯示，射彈進(jìn)入水中后產(chǎn)生了空腔，射彈在液體飛過(guò)后，其產(chǎn)生的空腔逐漸擴(kuò)大，射彈穿透液體后隔一段時(shí)間，空腔消失。有限元計(jì)算仿真分析結(jié)果，清晰揭示水錘效應(yīng)的全過(guò)程，包括沖擊-牽引-空腔-崩塌等典型現(xiàn)象。

2水錘效應(yīng)試驗(yàn)方法研究

本次充液箱體試驗(yàn)的試驗(yàn)方法思路主要是由高速氣炮將彈頭加速到目標(biāo)速度后，撞擊并且穿透前面板，進(jìn)入充液箱體，研究彈頭在液體中運(yùn)動(dòng)特性及其對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響。

2.1試驗(yàn)設(shè)備的選取

根據(jù)參考文獻(xiàn)、參考文獻(xiàn)、參考文獻(xiàn)以及結(jié)合仿真結(jié)果分析，得出體現(xiàn)水錘效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，得到試驗(yàn)測(cè)試具體對(duì)象，如壓力，高速射彈速度等。

對(duì)上述參數(shù)的測(cè)試，需用高速攝像系統(tǒng)觀測(cè)彈頭在穿透前面板、進(jìn)入液體中的運(yùn)動(dòng)速度、軌跡和狀態(tài)等;使用應(yīng)變片測(cè)試系統(tǒng)記錄整個(gè)過(guò)程中前后面板應(yīng)變;用壓力傳感器記錄充液箱體中液體內(nèi)部的壓力變化歷程;高速攝像系統(tǒng)和其他測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由設(shè)置在炮口出口位置的觸發(fā)器產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。所需主要試驗(yàn)設(shè)備見表1。

2.2試驗(yàn)實(shí)施

2.2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

研究彈體穿過(guò)充液箱體時(shí)，箱體內(nèi)液體壓力變化、箱體前后壁上面板上應(yīng)變變化情況及運(yùn)動(dòng)軌跡，得到箱壁擊穿過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力、應(yīng)變的時(shí)間歷程曲線。

2.2.2試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)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(hào)鋼角材，前、后面板均為20號(hào)鋼板，厚度分別為13mm、38mm。左側(cè)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(cè)面（沿入射方向看）為厚度20mm的20號(hào)鋼板。箱體上部開敞。箱體下部有立柱和底板。箱體內(nèi)部應(yīng)采取密封措施以防止漏水。在箱體內(nèi)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(fù)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(zhǎng)度75mm，彈頭前端為半球頭，表面粗糙度3.2，σ=1080±100MPa，單件質(zhì)量77g，材料為30CrMnSiA。

2.2.3試驗(yàn)測(cè)量

測(cè)量項(xiàng)目主要有：

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

（2）試驗(yàn)件典型位置應(yīng)變時(shí)間歷程對(duì)于應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)應(yīng)變片采用1/4橋接法，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的觸發(fā)方式同步采集，數(shù)據(jù)采集頻率不低于100kHz。

（3）充液箱體內(nèi)部典型位置壓強(qiáng)時(shí)間歷程通過(guò)事先布置在箱體內(nèi)部的動(dòng)態(tài)壓力傳感器輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的外部觸發(fā)方式同步采集，數(shù)據(jù)采集頻率不應(yīng)低于100kHz。

（4）彈頭在箱體中運(yùn)動(dòng)的視頻圖像數(shù)據(jù)通過(guò)布置在充液箱體下方和側(cè)面的高速攝像機(jī)FASTCAM SA1.1，采集和記錄彈頭在充液箱體中運(yùn)動(dòng)歷程的視頻圖像數(shù)據(jù)，拍攝速度不低于20000fps，且視頻圖像像素不小于512×256。

2.2.4測(cè)量數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行處理分析，判定是否存在非正常信號(hào)（如漂移、突降、高頻噪聲與超載值等）。各個(gè)點(diǎn)液體壓力時(shí)間曲線與高速影像進(jìn)行對(duì)比，分析液體內(nèi)部形體的變化情況，重點(diǎn)研究沿射擊路徑上的液體空腔形成與坍塌的特點(diǎn)，并給出試驗(yàn)結(jié)論。

2.2.5試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備包括試驗(yàn)安裝、測(cè)試系統(tǒng)安裝和高速攝像系統(tǒng)安裝三方面內(nèi)容。

2.2.6試驗(yàn)安裝

充液箱體試驗(yàn)件通過(guò)支架固定在靶室內(nèi)承力地軌上。充液箱體支架應(yīng)安裝牢固，需能夠保證在高速?gòu)楊^的沖擊中不產(chǎn)生明顯位移和變形。安裝時(shí)要確保充液箱體的位置安裝正確，試驗(yàn)件的著彈點(diǎn)中心對(duì)準(zhǔn)高速氣炮二級(jí)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(cè)試系統(tǒng)安裝

測(cè)試系統(tǒng)安裝主要包括應(yīng)變片的粘貼、壓力傳感器的安裝、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。應(yīng)變片應(yīng)粘貼牢固，以免試驗(yàn)過(guò)程中接觸不好引起應(yīng)變片失效，且處于充液箱體內(nèi)部的應(yīng)變片和傳感器在安裝時(shí)應(yīng)做好防水措施。

2.3試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)分為高速炮速度調(diào)試、試驗(yàn)件安裝和各系統(tǒng)調(diào)試、試驗(yàn)前試驗(yàn)件狀態(tài)檢測(cè)、試驗(yàn)安裝檢查、正式試驗(yàn)5個(gè)階段。

2.3.1高速炮速度調(diào)試

采用試驗(yàn)任務(wù)書中規(guī)定的彈頭，撞擊模擬靶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試/預(yù)試，以得到規(guī)定速度所需的高速氣炮系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)。

2.3.2試驗(yàn)件安裝和各系統(tǒng)調(diào)試

試驗(yàn)件的安裝和和各系統(tǒng)的調(diào)試主要分為以下幾個(gè)方面內(nèi)容：（1）安裝夾具及試驗(yàn)件;（2）試驗(yàn)件注水;（3）測(cè)試系統(tǒng)安裝、調(diào)試;（4）安裝防護(hù)裝置;（5）設(shè)置高速攝像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試。

2.3.3試驗(yàn)前試驗(yàn)件狀態(tài)檢測(cè)

試驗(yàn)開始前進(jìn)行一次全面檢測(cè)，以目測(cè)方式檢測(cè)試驗(yàn)件是否存在漏水、明顯缺陷或損傷，填寫試驗(yàn)記錄表，并且進(jìn)行試驗(yàn)前狀態(tài)拍照。

2.3.4試驗(yàn)安裝檢查

試驗(yàn)前，試驗(yàn)提出方對(duì)試驗(yàn)件安裝狀態(tài)及試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查;由檢驗(yàn)員、質(zhì)量部門對(duì)試驗(yàn)件安裝狀態(tài)及試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查;經(jīng)檢驗(yàn)員、試驗(yàn)提出方批準(zhǔn)后方可進(jìn)行試驗(yàn)。

正式試驗(yàn)階段，對(duì)撞擊前后的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)變形、破損情況進(jìn)行仔細(xì)的目視檢查并照相加以記錄。試驗(yàn)步驟：（1）對(duì)試驗(yàn)件撞擊前狀態(tài)進(jìn)行拍照;（2）彈頭稱重，并記錄彈頭質(zhì)量;（3）按照高速氣炮操作規(guī)程，進(jìn)行彈頭的裝填，膜片的安裝;（4）氣炮操作員激發(fā)高速氣炮，完成彈頭的發(fā)射;（5）檢查試件結(jié)構(gòu)的變形、破損情況，填寫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄表，對(duì)試驗(yàn)后試驗(yàn)件狀態(tài)進(jìn)行拍照，填寫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記事。

2.3.5試驗(yàn)后試驗(yàn)件檢測(cè)

在試驗(yàn)后要對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行一次全面檢測(cè)，檢測(cè)手段包括目視，主要檢測(cè)試驗(yàn)后試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)連接區(qū)域和彈頭通過(guò)區(qū)域結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生開裂、分層、釘孔擠壓塑性變形以及螺栓拉脫或斷裂現(xiàn)象。對(duì)不同的部位應(yīng)使用不同的檢測(cè)方法及檢測(cè)手段，并對(duì)檢測(cè)到的損傷類型、部位、程度進(jìn)行分析記錄。

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)此次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)照片及高速攝像視頻資料進(jìn)行了分析和對(duì)比。試驗(yàn)及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)于該試驗(yàn)的特性現(xiàn)象有如下發(fā)現(xiàn)：

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

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

（3）水箱水錘試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)現(xiàn)象描述前面板上應(yīng)變波動(dòng)數(shù)值小于后面板上的應(yīng)變數(shù)據(jù)，以第一次試驗(yàn)為例，前面板上應(yīng)變片數(shù)據(jù)峰值絕對(duì)值基本都在5000以下波動(dòng)，但是后面板上的部分應(yīng)變片數(shù)據(jù)峰值絕對(duì)值的都超過(guò)了10000。

前面板上的應(yīng)變片只有一個(gè)較大波峰，且在較大應(yīng)變水平下（大于2000）持續(xù)時(shí)間較短，而后面板上的應(yīng)變片的應(yīng)變數(shù)據(jù)經(jīng)常都會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或更多峰值，且在較大應(yīng)變水平下，持續(xù)時(shí)間是前面板上持續(xù)時(shí)間的數(shù)倍。

對(duì)比前面板上應(yīng)變片數(shù)據(jù)粘貼在面板兩面同一位置的兩個(gè)應(yīng)變片數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)波形基本對(duì)稱一致，數(shù)值絕對(duì)值大小也相近，如圖10所示。

對(duì)比后面板上應(yīng)變片數(shù)據(jù)粘貼在面板兩面同一位置的兩個(gè)應(yīng)變片數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)情況復(fù)雜很多，除了和前面板上相同的曲線形式，兩個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)波形基本對(duì)稱一致，數(shù)值絕對(duì)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(yīng)變數(shù)值相差較大，如圖12所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，彈丸沖擊速度對(duì)前面板上應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)據(jù)的峰值影響不明顯，峰值絕對(duì)值基本都在5000以下。彈丸沖擊速度對(duì)后面板上應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)據(jù)的峰值影響較為明顯，在彈丸速度提高時(shí)，后面板上的應(yīng)變峰值絕對(duì)值也會(huì)提高，并且損壞的應(yīng)變片數(shù)量也提升很多，另外，在較高應(yīng)變水平大于2000，持續(xù)時(shí)間也有延長(zhǎng)。

（4）水箱水錘試驗(yàn)水壓力數(shù)據(jù)現(xiàn)象描述從采集得到的壓力數(shù)據(jù)值可明顯得出，在水箱水錘試驗(yàn)中，液體內(nèi)部靠近空腔（含空腔）的動(dòng)態(tài)壓力值（約12MPa）遠(yuǎn)大于液體靠近水箱壁的動(dòng)態(tài)壓力值（小于0.2MPa）。

2.4.2結(jié)果分析

對(duì)于水箱水錘試驗(yàn)前面板來(lái)講，主要承受高速?gòu)楊^的沖擊破換，彈頭攜帶的動(dòng)能遠(yuǎn)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(duì)于水箱后面板來(lái)講，它除了要承受高速?gòu)楊^的沖擊破壞，還需要承受彈頭在水箱內(nèi)部飛行過(guò)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(dòng)能，這部分液體動(dòng)能以液體壓力的表現(xiàn)形式壓迫后面板對(duì)后面板產(chǎn)生一次更為嚴(yán)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(xiàn)上從范圍撕裂乃至直接被破壞斷裂。

前面板的應(yīng)變主要是由彈頭穿透前面板結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生，而后面板的應(yīng)變由彈頭穿透前面板結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的空腔壓力沖擊后面板結(jié)構(gòu)形成。由于后面板承受的更大的沖擊力，因此，后面板上應(yīng)變峰值較前面板會(huì)更大一些。另外，后面板上粘貼在面板兩面上同一位置的應(yīng)變片數(shù)據(jù)峰值大小差異巨大，是因?yàn)楹竺姘逶谠囼?yàn)過(guò)程中碳纖維復(fù)材板已經(jīng)分層而導(dǎo)致。

通過(guò)高速攝像拍攝圖像，如圖13所示，試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析可得到水錘效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理：

（1）高速?gòu)楊^撞擊并穿透前壁板，在前壁板上留下小孔后進(jìn)入水箱。

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

（3）彈頭撞擊并穿透后壁板，氣體空腔進(jìn)一步擴(kuò)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(fā)展。

（4）氣體空腔繼續(xù)擴(kuò)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(guī)則變化，水箱中水劇烈翻騰，持續(xù)一段時(shí)間后逐漸平息。

3結(jié)論

本文通過(guò)仿真分析揭示了水錘效應(yīng)的機(jī)理，研究得到了高速射彈的水錘效應(yīng)試驗(yàn)方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果（圖5和圖13對(duì)比），進(jìn)一步明確了水錘效應(yīng)的機(jī)理。

目前，國(guó)內(nèi)主要研究了速度在300m/s以內(nèi)的子彈入水沖擊試驗(yàn)，本文的研究目標(biāo)子彈速度最高值達(dá)1100m/s。擴(kuò)充了研究范圍，揭示了高速子彈入水后的物理現(xiàn)象及機(jī)理，對(duì)未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)燃油箱抗沖擊防護(hù)提供試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

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