国内,李亚智[1]等人使用MSC.Dytran动力学有限元分析软件对机翼油箱产生的水锤效应进行了模拟,在水锤效应数值模拟中,使用Euler单元模拟水和空气,用Lagrange单元模拟弹丸和箱体;考虑到箱体和弹丸的弹塑性变形、应变率效应和几何非线性变形,求解获得弹丸撞击并穿过过程中箱体的动态应力变化和应变的时间历程[3]。75531
采用大型非线性动力学有限元软件MSC.Dytran,可以对弹丸以高速撞击充液箱体所产生的动态响应和破坏变形过程进行有限元数值模拟,得到了弹丸穿透箱壁过程中的动态应力一应变的时间历程和变形情况。在弹丸穿过充液箱体时产生的流体动压明显提高了箱壁的应力应变水平,加大了对箱体的破坏作用[4]。
国内方面对此课题的研究很少,国外从上世纪70年代就已经开始了相关研究,并在部分飞机的改型和新型号的设计中进行了很多的相关分析和生存力试验,但目前为止公开发表的文献依旧很少[4]。
1974年,在R.E.Ball[14-15]等人的研究下,测量出了不同量级的子弹穿透油箱过程中产生的流体压力和箱体前壁的应变,试验表明:子弹形状对子弹濒临穿出油箱的速度的影响很小;穿透过程中的能量衰减取决于弹丸的入射角度和质量,弹丸垂直撞击箱体时,能量衰减最小,质量越大的弹丸能量衰减的越多;弹丸的形状和动量对冲击波的运动基本没有影响;同时,引入阻滞系数后再分析弹丸的速度衰减,试验证明了其可用性。
1975年,John W.Patterson[16]提出水锤效应的破坏程度取决于小型防空武器和油箱的物理性能。同年,John W.Patterson便进行了水锤效应的流体动压测量试验,目的是测出撞击过程阶段产生的流体压力,但是因为当时的压力传感器的分辨能力无法测量瞬间的高压冲击波而失败,最终只能通过子弹的冲击参数计算得到[2]。论文网
1988年,E.A.Lundstrom[17]对水锤效应进行了理论分析,并测得不同速度和入射角度的子弹穿透油箱时的压力和壁面应变数据,证实了理论分析的可用性。1989年,E.A.Lundstrom[18]等人进行了口径为2。3和3 cm的高爆燃烧弹穿过水箱的试验,得到了4个不同位置的流体压力数据。C.E.Sparks[19]等进行了口径为12.7 mm的子弹穿透油箱的试验,测定了不同点的流体压力,并用高速摄像机记录下了子弹撞击油箱的过程[6]。
2008年,Peter J.Disimile[20]等人为了研究出水锤效应的压力传播规律,从而确定油箱的破坏原理,分别进行了口径为12.7 mm的钨合金、铝合金和钢球弹丸撞击油箱的试验,试验用油箱尺寸为86。4cm×50。8cm×182。9cm,试验要避免箱体面板反射产生的压力波聚集在一起,试验测出了不同位置的压力时程图和水锤形状变化图。结果表明:水锤是能量传播产生的结果,弹丸动能转化为液体动能,在油箱内产生压力波动,造成了油箱的破坏[8]。
2011年,D.Varas[21]等人用相同大小的碳纤维增强复合材料制作的方管替代铝管,测量得到了不同位置的压力时程和各个面板的应变情况。说明液体压力是弹丸速度和测量位置的函数,峰值压力主要决定于弹丸速度;底板的应变取决于弹丸速度,进出口面板的应变规律主要取决于油箱内液体的体积分数,顶板没有发现明显的规律。
目前国内外常用方法:
(1)数值模拟方法。多种不同的有限元数值模拟方法都可以对水锤效应进行系统的计算,测量得到不同时刻、不同位置的物理现象和各种瞬间变化状态,国外通常使用大型非线性动力学有限元分析软件LS-DYNA进行水锤效应的数值仿真,R.L.Hinrichsen[22]等曾分成三步模拟水锤效应的过程:首先是模拟弹丸接触箱体的过程,对弹丸在不同角度和不同位置撞击油箱造成的破坏进行了模拟,然后模拟弹丸穿透油箱产生水锤效应的过程,最后模拟弹丸爆炸后对油箱的综合作用效果。2008年,D.Varas[23]等利用LS-DYNA软件对水锤效应进行了数值模拟,在仿真过程中突破性地选择了ALE(任意拉格朗日欧拉算法)算法离散液体。通过与试验结果的对比发现,ALE算法最能准确展现出水锤效应的四个阶段;气腔的变化是引起铝管变形的主要原因,铝管的变形情况和子弹的速度时程与试验结果一致性较高。