張 婧，王鳳英，李晨陽，王 佩， 薛瑞峰，周亞萍，陳 燕

(1.中北大學(xué)， 太原 030051； 2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局， 太原 030009)

油箱作為飛機的易損部件之一，占據(jù)了飛機易損面積的70%以上，飛機油箱在作戰(zhàn)過程中，容易受到彈丸、破片等攻擊，造成重大損傷[1]。因此，油箱的易損性結(jié)構(gòu)設(shè)計和油箱防爆性能的研究一直是眾多學(xué)者研究的焦點[2]。當前主要通過添加抑爆材料的方式來提升油箱的抑爆性能，其中，網(wǎng)狀鋁合金由于其可阻斷鏈式反應(yīng)進行、傳熱性好、孔隙率高等特點被廣泛應(yīng)用于實際[3]。

近年來，國內(nèi)外主要通過分析高速侵徹體對不含抑爆材料油箱的毀傷原理來研究油箱。Nishida等[4]通過鋁合金薄壁方管的打擊試驗，分析了壁板的裂紋和穿孔，討論了鋼質(zhì)彈丸碰撞過程中的能量平衡問題。肖統(tǒng)超[5]等設(shè)計模擬了飛機油箱試驗裝置，并試驗了不同破片殺傷元對飛機油箱的引燃效果，試驗發(fā)現(xiàn)與鎢球破片、穿燃破片相比，反應(yīng)破片具有較強的毀傷效果。張宇等[6]通過ANSYS/LS-DYNA軟件進行數(shù)值模擬，分析發(fā)現(xiàn)油箱的毀傷程度和高速侵徹體著靶速度有關(guān)。白強本等[7]采用ALE建模的方法進行數(shù)值模擬，研究油箱破損情況與含油量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)油箱含油量越大，箱體損壞越嚴重。韓璐等[8]運用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬了多破片高速沖擊油箱的過程，發(fā)現(xiàn)箱體變形程度與破片數(shù)量成正比。曾愛等[9]用ALE和SPH方法分別模擬了爆炸環(huán)境下燃油箱和燃油的動態(tài)響應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)油箱受損程度與含油量有關(guān)。

目前關(guān)于不含抑爆材料油箱的毀傷研究已較完善，但實際上油箱大多填充抑爆材料，抑爆材料的填充會影響油箱的抗彈性能和中彈后損傷程度。本文采用模擬和試驗相結(jié)合的方式，從箱體變形、穿孔、應(yīng)力應(yīng)變等方面探究鋁合金抑爆油箱抗穿甲燃燒彈的能力，為增強飛機油箱抗小口徑槍彈的防護性能提供支撐。

1 槍擊試驗

1.1 試驗材料與裝置

由于油箱含油越多，中彈后損毀越嚴重，為了使實驗結(jié)果更加突出，試驗中油箱均灌滿航空煤油。試驗中用彈道槍發(fā)射穿燃彈，分別沖擊無抑爆材料充油100%的油箱和添加網(wǎng)狀鋁合金充油100%的油箱，設(shè)定著靶位置為箱體150 mm×300 mm 的面中心位置，并布置2個間距為0.4 m的測速靶，置于油箱和彈道槍之間距離油箱著靶面0.2 m的位置，測速靶用于捕獲彈丸的著靶速度。為了保證實驗的安全性，實驗在靶場進行。實驗布置如圖1所示。

圖1 實驗布置圖

試驗所用穿燃彈的直徑為12.7 mm，長徑比為6，試驗中測得彈丸平均著靶速度為778 m/s。試驗所用彈道槍如圖2所示。實驗所用油箱為150 mm×150 mm×300 mm的縮比油箱，箱體為鋁合金材料。

圖2 彈道槍圖

油箱內(nèi)網(wǎng)狀鋁合金的選型和放置，是根據(jù)網(wǎng)狀鋁合金在油箱內(nèi)的最佳抑爆效果所設(shè)計，盡可能切合實際情況。選擇鋁箔厚度為5 mm的網(wǎng)狀鋁合金，設(shè)定留空率為5%，以疊層式方式置于油箱內(nèi)[10-11]。

1.2 試驗結(jié)果及分析

實驗分為未填充抑爆材料和添加網(wǎng)狀鋁合金2組，每組各3個油箱、6發(fā)實驗中油箱均未發(fā)生燃爆。試驗結(jié)果主要從箱體上的進出孔和網(wǎng)狀鋁合金的破損2個方面進行分析。油箱上的進出孔如圖3所示。

圖3 油箱彈丸進出孔圖

由圖3可知，未填充抑爆材料和添加網(wǎng)狀鋁合金的油箱進出孔形狀都呈花瓣狀，進口處的孔徑基本相同，但出孔處孔徑明顯不同。添加鋁合金抑爆材料的油箱，箱體變形和出孔處孔徑都有明顯減小，相比于未添加網(wǎng)狀鋁合金的油箱，出孔處孔徑減小約了20%?？芍W(wǎng)狀鋁合金的添加使得彈丸侵徹油箱過程中能量損失變大，彈丸出孔時含能較少，擴孔較小。

網(wǎng)狀鋁合金模擬與試驗剖面結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，試驗后將網(wǎng)狀鋁合金從油箱中取出，結(jié)構(gòu)仍較為完整，與模擬所得剖面變形情況基本吻合。網(wǎng)狀鋁合金的穿孔處模擬與試驗對比如表1所示。綜合分析圖4和表1可知，網(wǎng)狀鋁合金穿孔入口處孔徑大于出孔處的，模擬與試驗結(jié)果相差不大。網(wǎng)狀鋁合金沿彈丸運動方向的鋁箔斷裂，形成穿孔，穿孔周圍鋁箔出現(xiàn)小部分變形，但是沒有發(fā)生斷裂。距離穿孔較遠的鋁箔均未發(fā)生變形，整體結(jié)構(gòu)完好，仍可起到一定防爆和防護的效果。

圖4 網(wǎng)狀鋁合金模擬與試驗剖面結(jié)果示意圖

表1 網(wǎng)狀鋁合金的穿孔處模擬與試驗結(jié)果

網(wǎng)狀鋁合金為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有吸能作用，其吸能行為和應(yīng)力應(yīng)變密切相關(guān)。網(wǎng)狀鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線分為線性、平臺和密實3個階段，如圖5。首先，蜂窩鋁在力的作用下發(fā)生彈性形變，在應(yīng)力應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為線性階段；隨著孔壁所受應(yīng)力增大，一旦超過鋁合金的屈服應(yīng)力時，蜂窩發(fā)生塑性毋塌，使得其應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)一段長平臺；在壓縮后期，蜂窩層層疊加，鋁合金基體材料受到?jīng)_擊發(fā)生變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線急速上升。曲線下方面積代表單位體積的能量吸收[12]，因此大部分的吸能主要在這個階段進行。

圖5 網(wǎng)狀鋁合金高度方向應(yīng)力應(yīng)變曲線

此外，應(yīng)力波在多孔介質(zhì)中傳播，經(jīng)歷了大量的反射與折射過程，且反射與折射的方向不同，能量的不集中導(dǎo)致了彈丸部分能量的散失。此外，網(wǎng)狀鋁合金為非完全彈性體材料，應(yīng)力波在非完全彈性體中傳播，會逐漸轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能。

2 數(shù)值模擬

2.1 建模分析

本研究采用ANSYS/LS-DYNA軟件，模擬穿燃彈沖擊未添加抑爆材料的含油量100%油箱和填裝網(wǎng)狀鋁合金的含油量100%油箱。模型包含油箱、彈丸、空氣、航空煤油和網(wǎng)狀鋁合金，模型使用solid164實體單元類型，建立1/4模型，彈丸、油箱和網(wǎng)狀鋁合金采用Lagrange網(wǎng)格，空氣和油液都采用流體模型，然后通過ALE流固耦合算法將流體和固體進行耦合。為提高計算的準確性并縮短計算時間，油箱網(wǎng)格設(shè)置為1 mm，空氣、燃油和網(wǎng)格設(shè)置為3 mm，網(wǎng)狀鋁合金網(wǎng)格設(shè)置為2 mm。

彈丸采用長徑比為6的12.7 mm穿燃彈，彈丸直徑12.7 mm，長為146 mm。油箱的尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，厚度為3 mm，彈丸和油箱之間定義侵蝕接觸，對稱界面添加對稱約束，除對稱面外的空氣外界面施加非反射邊界條件。

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

子彈材料為45#鋼，本研究不需要考慮彈丸的變形，為簡化模型，將彈丸設(shè)置為剛體，不需要添加狀態(tài)方程。彈丸的材料模型參數(shù)如表2所示，表2中ρ為密度，E為彈性模量，PR為泊松比。

表2 彈丸模型參數(shù)

在多介質(zhì)ALE方法計算中，需要建立覆蓋整個油液流動范圍的空氣網(wǎng)格。空氣的狀態(tài)方程選用線性多項式，油箱內(nèi)所用油液為航空煤油，選用GRUNEISEN狀態(tài)方程?？諝馀c航空煤油的材料及狀態(tài)方程參數(shù)如表3、表4所示，表中C0-C6為線性多項式方程系數(shù)，V0為初始相對體積，C為體積聲速，S1-S3為狀態(tài)方程系數(shù)，γ0為GRUNEISEN系數(shù)。

表3 空氣材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

表4 航空煤油材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

網(wǎng)狀鋁合金材料選用126號材料模型進行模擬，只考慮材料的整體外形及應(yīng)力應(yīng)變情況，不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且考慮到其存在各向異性，定義2個向量a、b，從而計算單元3個方向的模量。定義3個階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線，描述蜂窩單元受力時不同階段的力學(xué)特征。該材料不需要添加狀態(tài)方程。其材料模型參數(shù)如表5所示[13]，其中，SIGY為屈服強度，Vf為相對壓縮體積，MU為粘性系數(shù)。

表5 網(wǎng)狀鋁合金材料模型參數(shù)

油箱箱體材料為鋁合金5051，選用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述，狀態(tài)方程選用GRUNEISEN狀態(tài)方程。參數(shù)如表6所示。

表6 油箱箱體材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果及分析

由圖6可知，彈丸侵徹不填充網(wǎng)狀鋁箔油箱的過程中，彈丸在260 μs時頭部穿過箱體后壁，彈丸速度降到最低560 m/s，之后不再變化。當彈丸侵徹填充網(wǎng)狀鋁合金油箱時，彈丸在290 μs時，頭部穿過后壁，速度降為475 m/s。由此可見，添加網(wǎng)狀鋁箔在一定程度上加快了彈丸速度的衰減，使得彈丸以更低的速度，侵徹油箱后壁，與試驗得到的結(jié)果，添加鋁合金的油箱出孔孔徑較小相互印證。

圖6 彈丸速度曲線

2.3.1油箱內(nèi)部模擬結(jié)果分析

油箱內(nèi)壓力曲線如圖7。由圖7可知，彈丸侵徹油箱的過程，引發(fā)油液的水錘效應(yīng)，使得油液壓力作用于箱壁，網(wǎng)狀鋁合金的阻隔，讓箱體承受的壓力降低。當彈丸穿過油箱前壁，以撞擊點為中心形成沖擊波，隨后沖擊波在油中快速衰減[14]。同時，由于彈丸為高速侵徹體，在其高速侵徹的過程中，頭尾產(chǎn)生較大的壓力差，再加上油液本身的粘度作用，使得彈丸受到阻滯力，而網(wǎng)狀鋁合金的存在讓彈丸受到更大的阻滯力。在彈丸末端完全穿過油箱后壁時，上部油液仍然有沖擊波，頂部箱壁有小量變形。直到500 μs，上部油液壓力才幾乎趨近于零，頂部箱壁幾乎不再變形。

圖7 油箱內(nèi)壓力曲線

空穴是水錘效應(yīng)的一個重要階段，彈丸穿過油液時，會在其后方形成空穴，空穴反復(fù)壓縮膨脹，對箱體施加載荷[15-16]。圖8為350 μs時油箱內(nèi)空穴效應(yīng)效果示意圖，由圖8可知，網(wǎng)狀鋁合金的填充，有效縮小了彈丸在油液中形成的空穴范圍，進而減弱了水錘效應(yīng)對箱體的破壞。

圖8 空穴效應(yīng)效果示意圖

2.3.2油箱箱體模擬結(jié)果分析

油箱箱體變形情況如表7所示。

表7 油箱箱體變形情況 mm

分析模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)穿燃彈在420 μs時完全穿過油箱，油箱的模擬數(shù)據(jù)均選取420 μs時數(shù)據(jù)。由表7可知，相比于不添加網(wǎng)狀鋁合金的油箱，添加網(wǎng)狀鋁合金的油箱，著靶面最大變形量減少了約26%，出孔面最大變形量減少了約19%，非彈道面最大變形量減小了約27%。

油箱非彈道面所受壓力和變形如圖9所示，網(wǎng)狀鋁合金使箱體承受的壓力和變形明顯減少，綜合分析空穴效應(yīng)對比圖和油箱內(nèi)壓力變化，網(wǎng)狀鋁合金具有很好的吸能作用[17]，明顯降低了油液的水錘效應(yīng)和沖擊波對箱體的損傷，增強了油箱的防護性能。

圖9 油箱變形位移示意圖

3 結(jié)論

1) 網(wǎng)狀鋁合金具有很好的吸能作用，網(wǎng)狀鋁合金的填充降低了油液的水錘效應(yīng)和沖擊波對箱體的損傷，增強了油箱的抗彈性能。

2) 模擬結(jié)果顯示，網(wǎng)狀鋁合金的填充降低了箱體的變形程度，著靶面變形量減少約26%，出孔面變形量減少約19%，出孔處孔徑減小約20%。非彈道面最大變形量減小約27%。

3) 網(wǎng)狀鋁合金中彈后，其結(jié)構(gòu)基本未被破壞，仍可起到一定防爆和防護的效果。

4) 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，誤差小于8%，可以為增強油箱抗彈防護性能提供參考。