破片冲击作用下油箱动力学响应行为实验研究.pdf
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1、 应用数学和力学编委会,:破片冲击作用下油箱动力学响应行为实验研究贾豪博,任柯融,卿 华,张景飞,徐文涛,唐光武(郑州大学 力学与安全工程学院,郑州;空军工程大学 航空机务士官学校,河南 信阳;国防科技大学 理学院,长沙;招商局重庆交通科研设计院有限公司 桥梁工程结构动力学国家重点实验室,重庆)(我刊编委唐光武来稿)摘要:研究了破片冲击作用下的油箱动力学响应行为 通过开展弹道冲击实验,使用高速摄像机对实验过程进行记录,利用三维数字图像相关技术测试了后壁板的响应历史,分析了油箱在不同破片入射速度下的毁伤形式及动态响应行为 结果表明:当破片以 的速度冲击油箱时,前壁板的损伤形式为圆形孔洞,后壁板损
2、伤形式为花瓣形破口;随着破片入射速度的提升,后壁板的动态响应速度和应变水平都有了显著提升;后壁板的动态响应主要包括后壁板中心区域塑性变形和后壁板整体变形两个阶段;随着后壁板变形程度增大,在对角线和板边位置处产生了塑性铰线 关 键 词:破片冲击;油箱;水锤效应;动态响应;数字图像相关中图分类号:文献标志码:,(,;,;,;,)(,):应用数学和力学 卷 期 年 月 ,收稿日期:;修订日期:作者简介:贾豪博(),男,硕士生(通讯作者:)引用格式:贾豪博,卿华,任柯融,张景飞,徐文涛,唐光武 破片冲击作用下油箱动力学响应行为实验研究 应用数学和力学,():,“”:,:;引 言当破片以极高的速度穿透充
3、液结构时,会在液体中形成强烈的压力波并作用在充液结构上,使充液结构发生严重的物理变形、甚至破坏,这就是水锤效应 油箱作为飞机易损部件中暴露面积最大的一部分,其内部往往装载有大量的液体燃油,研究油箱在高速破片冲击下的结构动力学响应机理对于飞机油箱部件的易损性研究具有重要意义 自 世纪 年代开始,国内外学者对油箱在高速破片冲击下的毁伤效应展开了一系列的实验研究 等使用不同尺寸的球形破片撞击充水铝合金方管,研究了壁板裂纹扩展形式与破片尺寸之间的关系 等使用 的射弹进行了射击实验,研究了射弹在穿透液体时引起的空腔形状,并对液体内瞬态冲击波的压力进行了测量 马丽英等通过弹道枪实验研究了油箱内液体种类对油
4、箱毁伤的影响规律,发现液体密度是主要的影响因素 张伟和黄威等开展了破片低速冲击试验,主要关注的是破片速度衰减、形成的空腔形态以及冲击波衰减规律 近些年来也有不少学者使用数值模拟的方法对油箱的结构破坏响应进行了分析,解江等使用有限元软件 对冲击爆炸载荷下铝合金板的动态响应进行了数值模拟 张宇等使用 单元进行建模,分析了球型破片冲击对不同形状油箱的毁伤效应,发现随着破片入射速度增大,油箱的形状对油箱抗毁伤能力的影响不断减小 等使用 方法进行模拟,分析了破片质量、速度、入射角度及液体充液量等因素对水锤效应的影响 杨砚世等模拟了多枚破片冲击油箱时产生的水锤效应,分析了多枚破片入射间距对油箱毁伤的影响规
5、律 陈照峰等、李亚智等也针对射弹冲击充液油箱过程进行了研究,结果表明,充液油箱相比于空油箱而言,其在受到破片冲击时的物理毁伤效果更为严重 目前对于高速破片冲击油箱的问题主要集中于研究破片尺寸、数量、入射方向,液体种类以及油箱形状等方面对油箱破坏效应的影响,针对油箱结构的动态变形与破坏机理探讨较少 本文开展了油箱的弹道冲击实验,利用三维数字图像相关技术(,简称 技术)测试了后壁板的位移、应变历史,研究了油箱在 的破片冲击速度下的结构响应与破坏模式,可为油箱结构设计与防护提供参考 实 验 设 计使用尺寸为 的圆柱形 钢破片进行弹道枪实验,实验时破片以 的速度冲击油箱,实验装置主要包括弹道枪、挡托装
6、置、测速靶、油箱和高速摄像机,实验现场布置如图 所示 实验时使用弹道枪发射破片;使用挡托装置拦截弹托,防止弹托击打在油箱上,入射速度由测速靶测量;油箱是由 块 厚(前后壁板)和 块 厚(侧壁板)的 铝合金铆接而成,其尺寸为 油箱为满油状态,内部充填航空煤油 油箱前后壁板和侧壁板之间用 铝合金铆钉连接,侧壁板之间用 不锈钢铆钉连接,铆钉直径均为 ;使用 台高速摄像机记录整个实验过程,其中一台摄像机位于油箱右前方 处,观察油箱前壁板的变形,两台摄像机位于油箱后方,观察油箱后壁板的变形情况 第 期 贾豪博,等:破片冲击作用下油箱动力学响应行为实验研究在实验中,破片以 的速度发射,破片的入射瞄准点位于
7、油箱正上方位置,如图 所示,通过调整射弹装药量来控制破片入射速度 共进行 次高速破片冲击实验,实验工况如表 所示 图 实验布置图 表 实验工况 ()由于破片冲击作用下油箱的动态响应时间非常短(通常在 量级),传统应变片测试技术难以监测到油箱箱体在空间上的动态响应过程,因此采用 技术对油箱后壁板的动态响应过程进行了记录 技术需要使用两台高速摄像机对同一块壁板进行同步记录,位置如图 中的高速摄像机 号、号所示 实验前在油箱后壁板表面喷涂随机黑白散斑,同时使用矫正板拍摄矫正图像,确保图像精度,如图、图 所示 在实验结束后使用数字图像相关算法,通过追踪散斑内像素点位置随时间的变化,进而得到后壁板散斑区
8、域的位移与应变数据 图 随机散斑图 矫正板 结果与讨论 不同破片入射速度下油箱变形特征图 给出了破片在不同入射速度下油箱前后壁板的损伤尺寸,图 给出了油箱实验前后壁板的损伤形应 用 数 学 和 力 学 年 第 卷貌 通过对比油箱前后壁板损伤尺寸,发现油箱前壁板的损伤形式主要为直径 的圆形破孔;油箱后壁板主要损伤形式为花瓣形开裂、并伴随有大面积翘曲变形,且裂纹尺寸随着破片入射速度的增大而增大 破片入射速度较小时,裂纹尺寸也较小,随着破片入射速度的增大,裂纹不断向外扩展,当破片入射速度增大到 时,平均损伤尺寸增大到 ,当破片入射速度增大到 时,平均损伤尺寸增大到 这说明了在冲击条件一定时,随着破片
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