高速弹头打击下机翼油箱的动态响应分析

张里伟，黄晓霞，胡益富，吴早凤，熊盼

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

美国与盟国根据历次战争中的经验，认识到提高飞机作战生存能力对飞机机队的出动率与战争结局的重要性，特别是美国国会的LFT法案，对飞机在最严重威胁条件下的易损性制定了严格的试验与评估要求。由于全尺寸易损性试验代价高昂，许多厂商和用户正在谋求以部件试验与分析来评价飞机的易损性。在飞机众多的易损部件与结构中，机翼油箱暴露的易损面积最大。为了设计具有高生存力的油箱结构，研究高速弹头打击下机翼油箱的动态响应与破坏模式势在必行。本文采用大型有限元软件MSC. Dytran，对高速弹头打击下机翼油箱的动态响应与破坏模式进行有限元数值模拟，结果表明，两种状态（充油和空箱）油箱壁板弹着点附近的变形特点明显不同，充液油箱中的流固耦合作用显著提高了壁板的应力水平，加剧了油箱的全面破坏[1]。

1 高速弹头打击下油箱动态响应的模拟

1.1 计算模型

由于机翼整体模型较大，且高速撞击中对模型网格要求很高，为了减小网格对弹头速度与应力应变值的扰动，取机翼的一部分进行网格细化计算。将机翼油箱的结构外形理想化为 500mm×500mm× 300mm的长方体，油箱壁板厚3mm，箱体底边的四条边固支，机翼油箱中燃油利用水来模拟，液面位置位于箱体高度的4/5处。弹头前端为半球型，弹头全长31.5mm，截面直径12.7mm,初始时刻弹着点位于油箱壁板中心位置，弹头顶端距油箱壁板2.6mm,弹头初始速度为1000m/s。本文采用拉格朗日单元模拟弹头，欧拉体单元模拟水与空气，油箱与弹头的简化模型如图1所示。

图1 油箱与弹头的简化模型

1.2 材料模型与破坏准则

机翼油箱的材料为2024-T351，弹头的材料为TA17，考虑弹塑性（DMAT）几何变形模式与Johnson-Cook屈服模式。Johnson-Cook屈服模型中屈服应力是塑性应变、应变率及温度的函数：

式中：σy为动态屈服应力；εp为有效塑性应变；ε˙为有效塑性应变率；ε˙0为参考应变率,取为1.0；A为静态屈服应力；B为硬化参数；n为硬化指数；C1为应变率参数；m为温度指数；，其中T为温度，Tr为参考温度，Tm为融化温度。

假设机翼油箱内水为理想流体，不具有剪切强度，水的密度为1000 kg/m3，水的体积模量为2.2 GPa。空气的密度为1.228 kg/m3，气体参数取为1.4。机翼油箱与弹头的材料参数见表1。

表1 油箱与弹头材料参数[3]

假设机翼油箱的等效塑性应变的临界值为0.5，当最大等效应变超过临界值时，机翼油箱壁板发生破坏。

2 数值模拟结果分析

利用MSC.Dytran的显示积分算法计算空油箱与充油油箱在高速弹头打击下的动态响应与破坏。图2是弹头击穿空油箱前壁板过程中壁板的局部变形。0.01ms时,弹头前部穿出壁板；0.04ms时,弹头完全穿透壁板。图中显示,空箱前壁沿弹头运动方向局部凸起,穿孔旁花瓣状翻开。图3是弹头击穿充液油箱前壁板过程中壁板的局部变形。0.01ms时,弹头前端开始穿出，壁板变形沿弹头运动方向凸起,与空箱时相似；0.04ms时，箱体前壁板穿透孔附近总体上向相反方向凸起，只有穿孔边很窄的环形区域有与弹头运动方向相同的变形，这显然是由于液体对箱壁的作用所致。

图2 空油箱前壁板着弹点附近的变形

图4为空油箱前壁板在不同时刻的应力云图，图5为充液油箱前壁板在不同时刻的应力云图。通过等效应力的大小和分布,可以看出,应力分布呈左右对称,穿透孔附近一直是等效应力最大的区域,而高应力的范围有逐渐扩大的趋势,且充液油箱穿孔周围的应力水平普遍比空箱的高,高应力影响的范围也比空箱的大。可知弹头在液体中穿行所产生的压力脉冲会对壁板产生更大的破坏，即“水锤效应”。

图3 充液油箱前壁板着弹点附近的变形

图4 空油箱前壁板不同时刻的应力云图

图5 充液油箱前壁板不同时刻的应力云图

水锤效应对油箱的破坏过程分为3个阶段：冲击阶段、液体拖曳阶段和空腔阶段。弹头击穿油箱时水锤效应的动态响应过程如图6所示。

1）在 0.05ms时，弹头刚浸入油箱，属于冲击阶段，此时产生的破坏主要集中在穿透点附近，破片能量转移到液体中，在穿透点处形成高压半球冲击波，作用于油箱前壁上的穿孔周围，使穿孔撕裂，成花瓣状外翻，如图6（b）所示。

2）在 0.15ms时，弹头前进到液体中央，部分能量转移到液体，变成液体的动能，弹头速度因液体阻力而减小，同时，液体的运动会产生径向压力场，弹头后方液体被排开，形成空穴。与上一阶段相反，液体在冲击波的作用下开始加速运动，导致液体的峰值压力减小，但是作用时间延长，这个阶段叫作液体拖曳阶段，如图6（d）所示。

3）在 0.30ms时，弹头即将穿出箱体后壁，此时由于冲击波的传播速度大于弹头的前进速度，后壁上有液体施加的预应力，如图6（f）所示。在0.04ms时，由于液体中的空穴膨胀，形成一个大的空腔，流体的运动在弹头后面形成空腔，空气从箱体穿孔进入空腔，由于液体试图恢复原状，空腔出现振荡，这种振荡会导致严重的压力脉冲，足以破坏油箱的结构，属于空腔阶段。空腔阶段时，由于存在较大的压力脉冲，极易导致空腔坍塌，结构破坏，这也是机翼油箱最严苛的设计条件。

图6 弹头击穿油箱时水锤效应的动态响应过程

3 结 语

本文研究了高速弹头穿甲和流固耦合的有限元建模方法。通过设定弹头和箱体、弹头和流体以及流体和箱体的接触或耦合关系,考虑材料在高应变率下的弹塑性动态行为和几何非线性变形,将穿甲分析和流固耦合分析有机地结合起来,实现了弹头穿透油箱的模拟计算。分析结果表明,弹头撞击充液油箱和撞击空油箱相比，由于水锤效应的作用，引起的破坏要严重的多，其中对直接受到撞击的前后壁，特别是破片穿孔周围的破坏最为严重，且由于水流压力脉冲的作用，致使油箱后壁的变形较油箱前壁更为严重。因此,在油箱结构的生存力设计中,不能忽视弹头引起的流体动压对箱体的破坏作用。

[1]REBall著.林光宇,宋笔锋译.飞机作战生存力分析与设计基础.北京:航空工业出版社,1998.

[2]R.E.Ball,StructuralResponse ofFluid-Containing-tanks to Penetrating Projectiles(Hydraulic Ram)-A Comparison of Experiment and Analytical Results.NPS-57BP76051,1976.

[3]MeyersM A.Dynamic behavior of materials. New York:John Wiley&Sons.

[4]Lundstrom E A.Fuel tank structural response to hydraulic ram.PVP Vol.134,The 1988 ASME Pressure Vessel s and Piping Conference,Pittsburgh, Pennsylvania,June 19-23,1988.39-51.

[5]Lundstrom E A.Structural response of flat panels to hydraulic ram pressure loading.AD-A200410, 1988.

[6]郑 毅,赵国群,孙 胜.利用有限元方法研究物体高速碰撞.机械强度,2003,25(1).