高圣智，侯海量，白雪飛，李永清，李 典

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

充液結(jié)構(gòu)在高速?gòu)楏w侵徹下的問(wèn)題研究受到航天、兵器、船舶等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，其研究?jī)?nèi)容主要為：一是對(duì)高速?gòu)楏w侵徹下充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的水錘效應(yīng)的研究。當(dāng)高速破片侵徹充液結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成強(qiáng)烈的壓力波和液體流并作用于結(jié)構(gòu)壁面，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)大面積破口或爆裂，這種現(xiàn)象叫做水錘效應(yīng)。由于其造成的災(zāi)難性后果[1-3]，水錘效應(yīng)已被視為導(dǎo)致飛機(jī)失事的最主要因素之一[4]。在“沙漠風(fēng)暴”軍事行動(dòng)中，約75%的飛機(jī)失事均與燃料箱有關(guān)[5]。針對(duì)水錘效應(yīng)問(wèn)題，早在二戰(zhàn)時(shí)期就引起了美國(guó)等西方國(guó)家學(xué)者的關(guān)注，BIRKHOFF，BURT，MOUSSA 等[6-8]開展了早期的研究。近 80 年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，取得了豐富的研究成果。劉國(guó)繁，紀(jì)楊子燚等[9-10]做了很多工作，在這方面進(jìn)行了很好的總結(jié)。二是對(duì)高速?gòu)楏w侵徹下充液結(jié)構(gòu)的破壞特性及防護(hù)技術(shù)的研究。利用液體對(duì)彈體沖擊動(dòng)能的耗散作用，充液結(jié)構(gòu)可用于抵御彈體的沖擊與侵徹，大型艦船的防護(hù)液艙就是典型的代表[11-14]。在抗侵徹過(guò)程中，防護(hù)液艙后壁通常是不允許發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的，而液艙前壁可以發(fā)生破損。液艙前壁的破損吸能是液艙吸能的重要組成部分，其破損時(shí)機(jī)和程度對(duì)液艙內(nèi)的壓力波傳遞、液體流的運(yùn)動(dòng)等都有重要影響，從而又會(huì)影響到液艙后壁的變形和破壞。為了減輕充液結(jié)構(gòu)的損傷破壞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些探討，提出了相關(guān)的防護(hù)技術(shù)。例如可以通過(guò)衰減水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波壓力，以減小結(jié)構(gòu)的破損程度[15]。此外也可從破壞侵徹體角度出發(fā)，盡量吸收彈體的沖擊動(dòng)能，衰減彈體的速度，從而分散載荷的密集度，避免壁面出現(xiàn)大范圍的破口[16]。

針對(duì)高速?gòu)楏w侵徹下充液結(jié)構(gòu)的破壞特性和防護(hù)技術(shù)，David Townsend等[17]開展了高速破片侵徹充液結(jié)構(gòu)的沖擊實(shí)驗(yàn)，觀察了在不同撞擊速度下結(jié)構(gòu)前后壁板的破壞形貌，并提出2種減小結(jié)構(gòu)損傷的技術(shù)。Disimile等[18]對(duì)大型油箱模擬器進(jìn)行打靶試驗(yàn)，利用布置在油箱內(nèi)部和后壁上的7個(gè)壓力傳感器，對(duì)載荷特性進(jìn)行了深入分析，為開展充液容器的防護(hù)工作奠定了基礎(chǔ)。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過(guò)設(shè)計(jì)蜂窩結(jié)構(gòu)放置在鋁管內(nèi)部，有效地減少了鋁管的變形程度。李典等[20]通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，分析了充液結(jié)構(gòu)前、后面板的破壞模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)面板不同的破壞特性，分別將面板的破壞過(guò)程劃分為幾個(gè)階段。仲?gòu)?qiáng)等[16]則從破壞侵徹體的角度出發(fā)，在液艙結(jié)構(gòu)前壁迎彈面增設(shè)抗彈陶瓷材料層，使高速?gòu)楏w在進(jìn)入液艙內(nèi)部之前發(fā)生嚴(yán)重的墩粗變形，降低了彈體的侵徹性能，從而提高液艙結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

本文重點(diǎn)對(duì)充液結(jié)構(gòu)承受的載荷特性、變形破壞特性以及水錘效應(yīng)的衰減防護(hù)技術(shù)做詳細(xì)評(píng)述，對(duì)高速?gòu)楏w侵徹下產(chǎn)生的水錘效應(yīng)的未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

1 高速?gòu)楏w侵徹下充液結(jié)構(gòu)中水錘效應(yīng)的物理過(guò)程及彈體剩余特性

1.1 物理過(guò)程

關(guān)于水錘效應(yīng)物理過(guò)程的分析，紀(jì)楊子燚等[10]已經(jīng)開展了大量的工作，對(duì)該過(guò)程做了很好的總結(jié)。水錘效應(yīng)一般分為沖擊階段、阻滯階段、空化階段和穿出階段4個(gè)階段[18]，如圖1所示。沖擊階段是彈體侵入的初始階段，充液結(jié)構(gòu)前壁在侵入點(diǎn)高壓下可能發(fā)生破裂，彈體沖擊動(dòng)能猛烈釋放，產(chǎn)生應(yīng)力波向四周傳播，在液體中也會(huì)形成初始沖擊波[18]。彈體入水產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程可視為撞擊位置處的點(diǎn)源產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程[21]。

圖1 水錘效應(yīng)過(guò)程Fig.1 The phases of hydrodynamic ram

在阻滯階段，彈體繼續(xù)侵入并不斷與液體發(fā)生撞擊，速度逐漸衰減；同時(shí)圓錐形的空腔已開始形成，并在空化階段不斷發(fā)展。由于阻滯階段和空化階段之間并沒有一個(gè)明顯的界限，有關(guān)這2個(gè)階段的研究?jī)?nèi)容是統(tǒng)一的。在阻滯階段液體的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生徑向的壓力場(chǎng)，并逐漸形成空穴[4]；在空化階段空穴不斷膨脹并逐漸形成一個(gè)大的空腔，隨后空腔不斷振蕩會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的壓力脈沖，對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。液體內(nèi)的壓力場(chǎng)分布和空腔特性是這2個(gè)階段關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)液體內(nèi)壓力場(chǎng)分布的研究從McMillen開始得到重視[22-23]，國(guó)外的 McMillen，P.C.Chou，Hopson，Disimile 等[18,22-25]，國(guó)內(nèi)的唐廷、張偉等[26-27]在這方面做了大量的工作。由于實(shí)驗(yàn)中彈體參數(shù)尺寸、靶板材料和厚度不同，得到的壓力計(jì)算模型具有一定的局限性。

在穿出階段，彈體穿出后壁時(shí)會(huì)形成局部高壓，并導(dǎo)致充液結(jié)構(gòu)后壁彈孔周圍破裂[28-29]。后壁彈孔附近發(fā)生碟形變形，隨著空腔的膨脹擠壓，后壁彎曲變形增大。此外，紀(jì)楊子燚等[21]試驗(yàn)中的高速攝影發(fā)現(xiàn)空腔在達(dá)到最大尺寸后開始從兩端沿軸向向中心收縮，在凹陷時(shí)有射流產(chǎn)生。

1.2 彈體剩余特性

彈體剩余特性的研究?jī)?nèi)容包括速度衰減特性和剩余變形特性。其中彈體速度衰減特性又包括彈體在穿透結(jié)構(gòu)前壁時(shí)的速度衰減規(guī)律、彈體在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及彈體在水中的彈道穩(wěn)定性3部分內(nèi)容。早在20世紀(jì)60年代，MORSE C R等[8]進(jìn)行了關(guān)于彈體速度衰減問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究，隨后CHOU P C等[24]進(jìn)行了相關(guān)問(wèn)題的理論分析。Power等[30-31]按照背空靶板的剩余計(jì)算公式計(jì)算彈體穿透背水靶板后的剩余速度，但這種假設(shè)顯然不合理。由于靶板后的水介質(zhì)會(huì)對(duì)其抗侵徹能力產(chǎn)生影響，破片穿透充液容器壁板后的速度與穿透空背靶板不同。徐雙喜等[32]建立了分析模型探討背水靶板的穿甲過(guò)程，根據(jù)德瑪爾公式和破片穿甲的運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)出破片穿透背水靶板后的剩余速度計(jì)算公式，但其假設(shè)中沒有考慮破片侵徹背水靶板時(shí)傳遞到水中的能量，對(duì)侵徹后期的絕熱剪切現(xiàn)象也未能有足夠的認(rèn)識(shí)。陳長(zhǎng)海等[33-34]則建立了鈍頭彈高速侵徹中厚背水金屬靶板的瞬時(shí)余速計(jì)算模型，計(jì)算模型考慮了靶后水介質(zhì)的動(dòng)支撐作用和動(dòng)能耗散等效應(yīng)，理論計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果之間均擬合較好。關(guān)于彈體在水中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，文獻(xiàn)[10]做了很好的總結(jié)。關(guān)于水下彈道穩(wěn)定性問(wèn)題的研究，前期主要集中在低速魚雷的入水問(wèn)題上，對(duì)于從空氣層入水的結(jié)構(gòu)物，作用在結(jié)構(gòu)物上的力的大小會(huì)影響其彈道特性[35-36]。而對(duì)于高速?gòu)楏w的入水問(wèn)題，較早開展這方面工作的有磯部孝、陳先富、顧建農(nóng)、張偉、Guo Zitao 等[37-41]。研究表明彈體頭部形狀會(huì)對(duì)水下彈道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，平頭彈具有較好的水下彈道穩(wěn)定性。

而對(duì)彈體的變形失效及其形成機(jī)制的研究，沈曉樂(lè)等[42]通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行了中高速?gòu)楏w侵徹入水的數(shù)值模擬，彈體入水后頭部發(fā)生嚴(yán)重的墩粗變形。這是因?yàn)閺楏w撞擊入水時(shí)存在一個(gè)變形臨界速度。當(dāng)彈體初始速度超過(guò)彈性極限速度時(shí)，即此時(shí)彈體頭部受到的壓力作用會(huì)大于彈體材料的動(dòng)態(tài)屈服抗壓強(qiáng)度，從而發(fā)生墩粗變形。仲?gòu)?qiáng)等[16]對(duì)彈體的破壞模式進(jìn)行了分析，當(dāng)靶板厚度較大時(shí)，彈體內(nèi)的破壞模式會(huì)受到彈體初速、彈體頭部速度以及彈材塑性波速三者關(guān)系的影響，彈體主要發(fā)生墩粗—侵蝕破壞，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)后所收集到的彈體變形破壞形貌[16]Fig.2 The projectile body deformation and failure morphology of the experiment[16]

2 充液結(jié)構(gòu)承受的載荷特性與變形破壞特性

2.1 載荷特性

本節(jié)所描述的載荷，不同于第1節(jié)所提到的液體內(nèi)部的壓力場(chǎng)。當(dāng)彈體垂直入射進(jìn)入可視為無(wú)限域的水體時(shí)，在與液體撞擊過(guò)程中不斷產(chǎn)生沖擊波壓力，但該壓力并沒有作用到結(jié)構(gòu)壁面，對(duì)該沖擊波壓力在流體中衰減規(guī)律的研究屬于水錘效應(yīng)物理過(guò)程的研究?jī)?nèi)容，本節(jié)主要討論的是最終作用到艙室結(jié)構(gòu)或蓄液容器壁面上的壓力載荷。對(duì)艦船防護(hù)液艙結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，作用到后壁上的壓力載荷是防護(hù)的重點(diǎn)。從仲?gòu)?qiáng)等[16]在壁面布置的壓力傳感器測(cè)得的復(fù)雜壓力信號(hào)來(lái)看，作用于壁面的壓力載荷具有多峰性，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)所測(cè)壓力曲線[16]Fig.3 Pressure curve in the experiments[16]

根據(jù)不同時(shí)段上壓力載荷的特性，可將作用于結(jié)構(gòu)壁面上的載荷大致分為六類[16,18,28]：彈體與液體碰撞產(chǎn)生的入射沖擊波；入射沖擊波到達(dá)壁面后反射形成的反射沖擊波；液體流動(dòng)引起的對(duì)壁面擠壓作用而產(chǎn)生的空化壓力載荷；彈體運(yùn)動(dòng)至結(jié)構(gòu)后壁附近時(shí)其頭部與后壁之間形成的局部高壓；后壁附近區(qū)域空化引起的對(duì)壁面的二次加載壓力；空腔膨脹至最大后開始塌陷產(chǎn)生射流引起的潰滅壓力載荷。對(duì)于后壁附近區(qū)域空化引起的二次加載，這種加載現(xiàn)象和李海濤等[43]研究的在水下爆炸沖擊波作用下結(jié)構(gòu)附近局部空化引起的二次加載是相似的。這是因?yàn)閺楏w在液體中侵徹產(chǎn)生的沖擊波特性和水下爆炸沖擊波特性是一致的。彈體運(yùn)動(dòng)至后壁之前，水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波已經(jīng)作用到結(jié)構(gòu)后壁面并發(fā)生反射，后壁面附近的壓力迅速降至負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓力達(dá)到水的空化壓力時(shí)在水和后壁面之間會(huì)形成空穴。而后水介質(zhì)在空穴的吸引下向前加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水介質(zhì)與壁面相接觸時(shí)，將對(duì)壁面產(chǎn)生二次加載。從空間上來(lái)看，充液結(jié)構(gòu)前、后壁面上不同位置處的載荷特性不同。李典等[28]據(jù)此對(duì)前、后壁面進(jìn)行了分區(qū)，并對(duì)各個(gè)區(qū)域建立了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，如圖4所示。對(duì)后壁而言，靠近撞擊點(diǎn)的區(qū)域Ⅰ主要承受入射沖擊波和局部高壓作用，該區(qū)域的載荷可簡(jiǎn)化為雙三角載荷；而距離撞擊點(diǎn)最遠(yuǎn)的區(qū)域Ⅲ，主要承受空化壓力載荷作用，其受到的載荷可簡(jiǎn)化為長(zhǎng)矩形脈沖載荷。

李典等[28]對(duì)壓力峰值進(jìn)行了回歸分析，得到了前、后板所受入射沖擊波壓力峰值Pf關(guān)于傳播距離r、初速度v0的擬合關(guān)系式：

圖4 后板各區(qū)域載荷特性[28]Fig.4 Load characteristics of each division of the rear plate[28]

吳林杰等[44]在液艙后板上選取多個(gè)典型單元作為壓力測(cè)點(diǎn)，分析了后板載荷的空間分布特性，得到了后板載荷的擬合計(jì)算公式。液艙后板上任一點(diǎn)處的壓力峰值Pmax和比沖量的擬合公式如下：

式中：v為破片速度；δ為破片厚度；r為液艙后板上任一點(diǎn)到其中心點(diǎn)的距離。

彈體向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，因液體沿垂直于彈道方向向外運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)壁面開始受到液體的擠壓作用，該作用持續(xù)至液體停止運(yùn)動(dòng)[45]。李典、仲?gòu)?qiáng)等[16,46-47]將上述液體對(duì)結(jié)構(gòu)壁面造成的擠壓載荷定義為空化壓力載荷，試驗(yàn)和仿真結(jié)果顯示初始沖擊波壓力峰值大于空化載荷峰值，但由于空化載荷的作用時(shí)間更長(zhǎng)，其比沖量遠(yuǎn)大于初始沖擊波壓力比沖量，因此空化壓力載荷是導(dǎo)致前、后面板變形破壞的主要載荷。吳曉光等[48]通過(guò)布置在充液結(jié)構(gòu)側(cè)壁的壓力傳感器，結(jié)合文獻(xiàn)[28]對(duì)沖擊載荷在結(jié)構(gòu)壁面的作用過(guò)程進(jìn)行了分析，將所測(cè)壓力時(shí)程曲線主要化分為入射沖擊波載荷和空化壓力載荷兩部分。前者峰值高、作用時(shí)間短，通常會(huì)造成壁面的局部破損，在容器體積遠(yuǎn)大于空腔膨脹體積時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞起主要作用；后者峰值小、作用時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壁面發(fā)生大面積的薄膜鼓脹變形甚至破壞，當(dāng)容器體積與空腔膨脹體積相差不大時(shí)對(duì) 結(jié) 構(gòu) 變 形 破 壞起 主 要 作 用[16,19,28,44,48]。 白 強(qiáng) 本 等[4]在模擬中發(fā)現(xiàn)部分充液結(jié)構(gòu)的損傷明顯小于完全充液結(jié)構(gòu)，但在彈體侵徹前期充水比對(duì)壁面的變形幾乎沒有影響，間接證明了該類載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的危害性。這是因?yàn)榍捌诘闹饕饔幂d荷為入射沖擊波載荷，而到后期主要作用載荷為液體流動(dòng)產(chǎn)生的擠壓載荷。由于空氣較強(qiáng)的可壓縮性，后期在部分充液結(jié)構(gòu)中的液體會(huì)向空氣層運(yùn)動(dòng)，使得擠壓載荷對(duì)壁面的作用減弱。劉雨曦等[49]同樣提出了空化壓力的概念。根據(jù)液艙前面板的變形破壞模式，推斷前面板受到空化壓力載荷的作用，并將平頭彈造成的結(jié)構(gòu)面板變形量更大的原因歸結(jié)于空化壓力的影響。相比于其他形狀的彈體，平頭彈產(chǎn)生的空腔更大，導(dǎo)致空化壓力增大，進(jìn)而對(duì)面板造成更大的塑性變形，這再次反映出空化壓力載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的變形破壞起著重要作用。

多數(shù)學(xué)者的研究表明彈體侵徹充液結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要破壞載荷為入水產(chǎn)生的沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷[50-51]。弄清這兩類載荷在結(jié)構(gòu)壁面的作用機(jī)理，對(duì)減少因水錘效應(yīng)造成的結(jié)構(gòu)毀傷，設(shè)計(jì)具有更好防護(hù)性能的液艙結(jié)構(gòu)有著重要意義。由于空化壓力載荷作用時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣、影響因素復(fù)雜多變，針對(duì)空化壓力載荷的理論研究相對(duì)有限。

2.2 變形破壞特性

充液結(jié)構(gòu)在高速?gòu)楏w侵徹下的動(dòng)響應(yīng)過(guò)程和載荷特性密切相關(guān)。彈體沖擊過(guò)程產(chǎn)生的各類載荷，終將作用于結(jié)構(gòu)壁面，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞。李典等[20]將充液結(jié)構(gòu)的能量耗散分為吸收、消化2個(gè)階段。液體作為中間介質(zhì)先迅速吸收彈體的沖擊動(dòng)能，后在彈體排開的液體的擠壓作用下將吸收的能量逐步轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形能。充液結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)主要分為2個(gè)階段[20]：第1階段為當(dāng)彈體穿透結(jié)構(gòu)前壁與液體發(fā)生碰撞時(shí)，在液體中產(chǎn)生半球形的高強(qiáng)沖擊波。由于激波產(chǎn)生位置靠近結(jié)構(gòu)前壁，初始沖擊波壓力首先作用于撞擊點(diǎn)附近區(qū)域并形成反射波，結(jié)構(gòu)前壁開始向外發(fā)生凸起變形。隨后產(chǎn)生的沖擊波壓力傳遞到結(jié)構(gòu)各壁面，迫使壁面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)[52]，結(jié)構(gòu)后壁附近出現(xiàn)局部空化，空化會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)二次加載現(xiàn)象，因此壁面測(cè)到的壓力信號(hào)和計(jì)算得到的壓力波均具有多峰性[28,44]。第2階段壁面在空化壓力載荷的作用下彎曲變形程度逐漸加劇。隨著彈體侵徹的深入，其周圍的液體不斷被排開，空腔得以持續(xù)膨脹，壁面持續(xù)受到壓力載荷的擠壓作用，一直到空腔達(dá)到最大尺寸[28]，隨后空腔潰滅再次產(chǎn)生沖擊波，該沖擊波壓力和之前沖擊波壓力影響一樣，此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變形并可能還在運(yùn)動(dòng)。

圖5 液艙結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程[16]Fig.5 Damage stage of the fluid cabin structure[16]

與空結(jié)構(gòu)的破壞特性相比，充液結(jié)構(gòu)在高速?gòu)楏w侵徹下的破損問(wèn)題以作用于結(jié)構(gòu)壁面載荷的復(fù)雜性為主要特征，液體內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波、液體流、空化等物理現(xiàn)象，均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)壁面的變形破壞產(chǎn)生影響。就破壞模式而言，空結(jié)構(gòu)壁板在高速?gòu)楏w侵徹下會(huì)發(fā)生剪切沖塞破壞，通常僅在撞擊點(diǎn)區(qū)域附近發(fā)生變形，而其他區(qū)域往往不受影響[20]。然而，當(dāng)充液結(jié)構(gòu)遭受高速?gòu)楏w侵徹時(shí)，結(jié)構(gòu)的破壞模式受彈體侵徹和液體擠壓作用共同決定[48]，當(dāng)前、后面板的厚度匹配比不同時(shí)，破壞模式也會(huì)發(fā)生變化。一般地，前面板破壞模式以整體薄膜變形和局部剪切沖塞為主，其變形過(guò)程大致可分為 2 個(gè)階段[16,20-21,49]：第 1 階段彈體穿入結(jié)構(gòu)前壁造成壁面發(fā)生剪切沖塞破壞，第2階段隨著空腔的不斷膨脹，液體對(duì)壁面造成明顯的擠壓作用，致使壁面發(fā)生膨脹變形。后面板的破壞模式主要為局部隆起-碟形-彎曲變形，其破壞過(guò)程可劃分為4個(gè)階段[20-21,29,49]：第 1 階段彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波傳遞到結(jié)構(gòu)后壁，使其發(fā)生輕微彎曲變形；第2階段當(dāng)彈體運(yùn)動(dòng)至結(jié)構(gòu)后壁附近時(shí)，彈體前部的局部高壓區(qū)作用于結(jié)構(gòu)后壁，使其發(fā)生蝶形變形；第3階段當(dāng)彈體穿出后壁時(shí)致使撞擊點(diǎn)處隆起，碟形變形進(jìn)一步加??；第4階段彈體穿出后壁后，隨著空腔體積不斷增大，液體繼續(xù)對(duì)壁面施加擠壓作用，壁面彎曲變形程度繼續(xù)增大。前后面板的變形均是由局部破口變形到整體的變形[46]。但是當(dāng)前、后面板厚度較薄時(shí)，前面板可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)凹陷變形[48]；后面板則發(fā)生薄膜鼓脹-花瓣開裂破壞。通常情況下后面板的變形破壞明顯比 前 面 板 要 嚴(yán) 重[16,47,49,53]， 這 是 因 為 在 彈 體 侵 徹 之 前 ，后面板已受到最初的高壓沖擊波和空化壓力載荷作用。

對(duì)于充液結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)壁面，多為較薄的鋁合金或鋼板制成。2005年Nishida等[54]對(duì)鋁合金薄壁方管進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，研究壁板裂紋的擴(kuò)展方式，結(jié)果表明壁板材料的強(qiáng)度和子彈的直徑是最主要的影響因素。Ren Peng等[55]以結(jié)構(gòu)前、后壁面上幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線為依據(jù)，探究了彈丸形狀和彈丸初速度對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式的影響，并建立了彈丸CRH值、彈丸動(dòng)能和前后面板歸一化橫向撓度的定量關(guān)系。Varas等[53]通過(guò)試驗(yàn)研究了空管和完全充水管受到高速?gòu)楏w撞擊后變形的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明在未充水情況下，鋁管前后壁出現(xiàn)2個(gè)圓孔，周圍發(fā)生塑性變形。而在完全充水情況下，由于出口壁在受到彈體侵徹前就已受到預(yù)應(yīng)力的作用，導(dǎo)致出現(xiàn)花瓣開裂。從高速攝影看出充液鋁管的主要變形發(fā)生在彈體穿出鋁管后。陳照峰等[56]認(rèn)為油箱的變形主要發(fā)生在空化階段和彈體穿出階段。結(jié)構(gòu)變形破壞模式受面板厚度、彈體速度、彈體形狀、容器尺寸及充水比等因素的影響。陳亮等[57]通過(guò)數(shù)值仿真得到了不同方向侵徹下飛機(jī)油箱的整體損傷破壞云圖，結(jié)果表明液艙沖擊是造成油箱損傷的主要因素，侵徹方向?qū)τ拖涞膿p傷程度影響很大。楊硯世等[58]發(fā)現(xiàn)隨著彈體速度的增加，充液箱體內(nèi)部形成的空腔相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，對(duì)壁面的擠壓范圍相對(duì)狹小，所以變形直徑有所減小。

此外，針對(duì)多彈丸侵徹問(wèn)題，韓璐、楊硯世、孔祥韶等[52,58-59]開展了一些數(shù)值仿真計(jì)算。韓璐等[52]研究了彈丸數(shù)量、彈丸入射間距以及彈丸入射時(shí)間間隔對(duì)結(jié)構(gòu)前、后壁變形的影響。藍(lán)肖穎等[60]開展了雙彈丸侵徹的試驗(yàn)研究，主要分析了液體內(nèi)的壓力場(chǎng)分布規(guī)律。由于多彈丸侵徹隨機(jī)性較大，無(wú)法有效控制彈丸的間距和入射角度，目前針對(duì)多彈丸侵徹問(wèn)題的研究多以數(shù)值仿真為主。

3 水錘效應(yīng)衰減防護(hù)技術(shù)

通過(guò)對(duì)充液結(jié)構(gòu)在高速?gòu)楏w侵徹下受到的載荷特性與變形破壞特性展開研究，闡明了充液結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，為充液結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。就耗能機(jī)制而言，彈體的動(dòng)能主要通過(guò)充液結(jié)構(gòu)前后壁板的穿甲作用、液體中的壓力波及液體的運(yùn)動(dòng)等形式耗散[61]。據(jù)此，針對(duì)充液結(jié)構(gòu)的防護(hù)技術(shù)大致可分為3類：第1類防護(hù)技術(shù)是減小彈體在充液結(jié)構(gòu)中的侵徹能力。對(duì)于防護(hù)液艙結(jié)構(gòu)，其主要目的是保證其后方結(jié)構(gòu)和艙室的安全，盡量減少液艙內(nèi)壁的損傷破壞[16]。為了達(dá)到該目的，應(yīng)盡可能減少入射彈體的動(dòng)能。目前主要做法有在結(jié)構(gòu)前壁增設(shè)抗彈陶瓷材料層，使彈體在侵徹液艙前，首先遇到抗彈陶瓷材料，并發(fā)生變形、碎裂、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，增大其與液體的接觸面積，改變其在液艙中的侵徹彈道，有效減小其在液艙中的侵徹能力，從而實(shí)現(xiàn)抵御高速?gòu)楏w侵徹的目的。仲?gòu)?qiáng)等[16,46]針對(duì)陶瓷/液艙復(fù)合結(jié)構(gòu)開展了試驗(yàn)研究和數(shù)值仿真計(jì)算，利用陶瓷的高硬度和高強(qiáng)度特點(diǎn)對(duì)彈體進(jìn)行侵蝕墩粗，提前降低彈體的入水速度，增大彈體在水中運(yùn)動(dòng)的阻力，從而減少了傳遞給充液結(jié)構(gòu)的能量。

圖6 液艙結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)與破壞過(guò)程Fig.6 Dynamic response and failure process of the fluid cabin structure

第2類防護(hù)技術(shù)是衰減充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部的沖擊波壓力，吸收液體中的沖擊波能。作為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，在傳播路徑上提前對(duì)沖擊波壓力進(jìn)行衰減，可減輕作用在結(jié)構(gòu)壁面上的沖擊波壓力載荷，這方面已開展了很多研究。David等[17]提出2種減輕水錘效應(yīng)對(duì)充液容器破壞的方法，一種是在容器內(nèi)部放置多個(gè)由輕質(zhì)塑料和鋁材制成的薄板，利用阻抗差異使沖擊波壓力在傳遞過(guò)程中發(fā)生明顯衰減；另一種是向充液容器內(nèi)通入氣體，從而在容器內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的氣泡，利用沖擊波與氣泡相互作用發(fā)生反射和透射，致使沖擊波分散。2種方法本質(zhì)上都是利用波阻抗的差異，使沖擊波在傳播過(guò)程中發(fā)生反射形成稀疏波。之后，Disimile等[15]在液體中布置多層具有三角形截面的桿件，使波之間相互發(fā)生干擾，從而顯著地衰減了初始沖擊波壓力，削弱了入射沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)后板的破壞?；谶@一思想，并結(jié)合一維應(yīng)力波理論，李營(yíng)等[51]利用不同介質(zhì)之間較大的波阻抗差異，在液體中加入空氣夾層，沖擊波在遇到空氣夾層時(shí)會(huì)反射產(chǎn)生稀疏波，從而有效降低了充液容器的塑性變形。此外，彈體侵徹充液結(jié)構(gòu)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生滯后流載荷，利用空氣夾層結(jié)構(gòu)易發(fā)生塑性變形的特性吸收液體中的沖擊波能，可減弱滯后流對(duì)結(jié)構(gòu)壁面的作用效果。孔祥韶等[62]在液艙內(nèi)部加設(shè)橡膠材料，利用材料之間波阻抗的差異，應(yīng)力波在其界面處形成反射波，從而有效減輕了液艙結(jié)構(gòu)的毀傷程度。

圖7 四個(gè)安裝在油箱模擬器內(nèi)部的衰減裝置[15]Fig.7 Four mitigation members installed within fuel tank simulator[15]

第3類防護(hù)技術(shù)是減輕液體流動(dòng)造成的對(duì)結(jié)構(gòu)壁面的擠壓作用，增加充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量的耗散。對(duì)于燃料箱結(jié)構(gòu)，其主要目的是保證箱體的完整性，防止油箱結(jié)構(gòu)發(fā)生爆裂。為了達(dá)到該目的，應(yīng)盡可能阻礙液體運(yùn)動(dòng)，以減少其對(duì)壁面的擠壓作用，提前耗散傳遞給結(jié)構(gòu)壁面的能量。J.A.Artero-Guerrero等[19]通過(guò)在鋁管內(nèi)部安置胞元朝向不同的蜂窩結(jié)構(gòu)以限制空腔的膨脹，從而限制了液體的流動(dòng)。同時(shí)鋁管內(nèi)部的蜂窩胞元又能夠吸收液體的壓力波能和動(dòng)能，使傳遞至鋁管壁面的能量大大減少。最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式可使鋁管膨脹體積減少54%，從而大幅度減少結(jié)構(gòu)的變形破壞。蔡斯淵等[63]對(duì)不設(shè)置隔層、設(shè)置雙層板隔層和設(shè)置波紋夾芯版隔層的3種液艙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行防護(hù)能力的對(duì)比分析，結(jié)果表明設(shè)置隔層能起到減小液艙結(jié)構(gòu)后板變形的效果，能使液艙結(jié)構(gòu)承受更大的沖擊載荷，且波紋夾芯板隔層的防護(hù)效能更好，這是因?yàn)椴y板吸能效果更好。由于爆炸沖擊波和水錘效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波本質(zhì)上是一致的，這種抵御爆炸沖擊波載荷的方法在充液結(jié)構(gòu)抵御高速?gòu)楏w侵徹領(lǐng)域同樣適用。侯海量等[64]在液艙結(jié)構(gòu)前壁設(shè)置泄壓孔，液艙在遭受高速?gòu)楏w侵徹時(shí)該孔會(huì)打開，使艙內(nèi)液體泄漏一部分，從而減輕液體流動(dòng)造成的擠壓作用。

水錘效應(yīng)的衰減防護(hù)技術(shù)是基于水錘效應(yīng)引起的壓力載荷的作用機(jī)理，彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波載荷和空腔膨脹引起的空化壓力載荷被視為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，因此目前有關(guān)水錘效應(yīng)衰減防護(hù)技術(shù)主要是圍繞衰減入射沖擊波載荷和空化壓力載荷。

圖8 三種保護(hù)結(jié)構(gòu)切平面圖[19]Fig.8 Images of the cut plane of each protected configuration[19]

4 結(jié) 語(yǔ)

相比空氣介質(zhì)而言，液體介質(zhì)具有高密度和不可壓縮的特點(diǎn)，導(dǎo)致其與空氣具有截然不同的載荷傳遞和耗散特性。對(duì)于彈體侵徹類局部集中強(qiáng)沖擊載荷具有遠(yuǎn)大于空氣的耗散效率[32,42]。液體介質(zhì)可以通過(guò)水錘效應(yīng)將彈丸動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力波和液體流[1-2,18]，將局部集中沖擊載荷耗散為分布式壓力載荷和空化擠壓載荷[16,28]，從而分散沖擊能量的時(shí)空分布密集度[44]。因此，利用液體對(duì)彈體沖擊動(dòng)能的耗散作用，液艙結(jié)構(gòu)可用于抵御彈體的沖擊與侵徹[20,48]。液艙結(jié)構(gòu)在抵御大質(zhì)量破片群侵徹的同時(shí)，還要盡可能減少其自身重量，實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的輕量化。以往的研究表明，彈體侵徹產(chǎn)生的入射沖擊波和侵徹后期由于空腔膨脹產(chǎn)生的空化壓力載荷是造成充液結(jié)構(gòu)損傷的主要載荷，因此在進(jìn)行液艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮如何更有效地衰減沖擊波載荷和空化壓力載荷，目前采取的措施是在充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置阻抗相差較大的隔層或抑制空腔膨脹的蜂窩結(jié)構(gòu)。此外，選用吸能性能更好的材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)型用于液艙防護(hù)結(jié)構(gòu)，同樣可達(dá)到減少結(jié)構(gòu)損傷的效果。針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，目前尚存在幾方面問(wèn)題有待進(jìn)一步開展：

1）關(guān)于空化擠壓載荷特性問(wèn)題的研究?？栈瘔毫d荷作為造成結(jié)構(gòu)變形破壞的主要載荷，必須明確其載荷特性。而目前的研究對(duì)初始時(shí)刻產(chǎn)生的沖擊波壓力已經(jīng)得到一些計(jì)算公式，數(shù)值模擬也較為準(zhǔn)確，而對(duì)空化壓力載荷的作用規(guī)律以及充液結(jié)構(gòu)對(duì)空化壓力載荷的耗散特性認(rèn)識(shí)還不是很清楚，也未建立相關(guān)的計(jì)算方法。同時(shí)，水錘效應(yīng)產(chǎn)生的載荷和結(jié)構(gòu)之間是強(qiáng)流固耦合問(wèn)題，自由液面對(duì)空化擠壓載荷的影響也需要進(jìn)一步的研究。

2）關(guān)于數(shù)值模擬的流固耦合問(wèn)題。數(shù)值仿真中的彈體尺寸很小，流體作為中間介質(zhì)既要實(shí)現(xiàn)和破片的有效耦合，又要和充液結(jié)構(gòu)有效耦合是比較困難的。同時(shí)在水錘效應(yīng)中流體作用時(shí)間很長(zhǎng)，數(shù)值計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算的終結(jié)。為了保證計(jì)算的順利進(jìn)行，這些問(wèn)題必須要解決。同時(shí)，目前得到仿真計(jì)算結(jié)果還只能用作科學(xué)問(wèn)題研究的定性分析，還無(wú)法定量地去計(jì)算壓力載荷大小、破口尺寸、變形區(qū)域等物理量。尤其對(duì)于某些物理過(guò)程，如空腔的反復(fù)膨脹、潰滅過(guò)程的模擬還比較困難，仍需要進(jìn)一步發(fā)展。

3）關(guān)于充液結(jié)構(gòu)防護(hù)技術(shù)問(wèn)題的研究。目前已經(jīng)開展了一些研究，比如在充液結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充一些衰減沖擊波或者吸能較好的材料、在液艙結(jié)構(gòu)后壁粘貼橡膠材料等，起到了一定的衰減防護(hù)效果。但目前這方面的研究仍處于初步探討階段，對(duì)其破壞特性和耗能機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入，距離設(shè)計(jì)計(jì)算方法的提出與實(shí)際工程應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

4）關(guān)于多彈丸侵徹問(wèn)題的研究。在實(shí)際工程背景下，防護(hù)液艙不只會(huì)受到單個(gè)彈丸的作用，多數(shù)情況下會(huì)遭受高速破片群的作用。而目前關(guān)于多彈丸侵徹問(wèn)題研究仍比較少，這是因?yàn)樵囼?yàn)和數(shù)值仿真的開展都比較困難。試驗(yàn)方面，由于多彈丸侵徹的影響因素較多，比如多彈丸的發(fā)射技術(shù)較難控制彈丸的間距、飛散角度、速度等；而數(shù)值仿真中又存在彈丸和流體耦合的問(wèn)題，尤其對(duì)于多彈丸，需要保證每個(gè)彈丸均和流體有效耦合，這對(duì)網(wǎng)格的劃分、流固耦合的設(shè)置等提出了更高的要求，因此關(guān)于多彈丸侵徹對(duì)水錘效應(yīng)造成的影響還有待研究。