【基础理论与应用研究】
铝合金抑爆油箱抗弹性能的数值模拟及试验
油箱作为飞机的易损部件之一，占据了飞机易损面积的70%以上，飞机油箱在作战过程中，容易受到弹丸、破片等攻击，造成重大损伤[1]。因此，油箱的易损性结构设计和油箱防爆性能的研究一直是众多学者研究的焦点[2]。当前主要通过添加抑爆材料的方式来提升油箱的抑爆性能，其中，网状铝合金由于其可阻断链式反应进行、传热性好、孔隙率高等特点被广泛应用于实际[3]。
近年来，国内外主要通过分析高速侵彻体对不含抑爆材料油箱的毁伤原理来研究油箱。Nishida等[4]通过铝合金薄壁方管的打击试验，分析了壁板的裂纹和穿孔，讨论了钢质弹丸碰撞过程中的能量平衡问题。肖统超[5]等设计模拟了飞机油箱试验装置，并试验了不同破片杀伤元对飞机油箱的引燃效果，试验发现与钨球破片、穿燃破片相比，反应破片具有较强的毁伤效果。张宇等[6]通过ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟，分析发现油箱的毁伤程度和高速侵彻体着靶速度有关。白强本等[7]采用ALE建模的方法进行数值模拟，研究油箱破损情况与含油量的关系，发现油箱含油量越大，箱体损坏越严重。韩璐等[8]运用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了多破片高速冲击油箱的过程，发现箱体变形程度与破片数量成正比。曾爱等[9]用ALE和SPH方法分别模拟了爆炸环境下燃油箱和燃油的动态响应过程，发现油箱受损程度与含油量有关。
目前关于不含抑爆材料油箱的毁伤研究已较完善，但实际上油箱大多填充抑爆材料，抑爆材料的填充会影响油箱的抗弹性能和中弹后损伤程度。本文采用模拟和试验相结合的方式，从箱体变形、穿孔、应力应变等方面探究铝合金抑爆油箱抗穿甲燃烧弹的能力，为增强飞机油箱抗小口径枪弹的防护性能提供支撑。
1 枪击试验
1.1 试验材料与装置
由于油箱含油越多，中弹后损毁越严重，为了使实验结果更加突出，试验中油箱均灌满航空煤油。试验中用弹道枪发射穿燃弹，分别冲击无抑爆材料充油100%的油箱和添加网状铝合金充油100%的油箱，设定着靶位置为箱体150 mm×300 mm 的面中心位置，并布置2个间距为0.4 m的测速靶，置于油箱和弹道枪之间距离油箱着靶面0.2 m的位置，测速靶用于捕获弹丸的着靶速度。为了保证实验的安全性，实验在靶场进行。实验布置如图1所示。
图1 实验布置图
试验所用穿燃弹的直径为12.7 mm，长径比为6，试验中测得弹丸平均着靶速度为778 m/s。试验所用弹道枪如图2所示。实验所用油箱为150 mm×150 mm×300 mm的缩比油箱，箱体为铝合金材料。
图2 弹道枪图
油箱内网状铝合金的选型和放置，是根据网状铝合金在油箱内的最佳抑爆效果所设计，尽可能切合实际情况。选择铝箔厚度为5 mm的网状铝合金，设定留空率为5%，以叠层式方式置于油箱内[10-11]。
1.2 试验结果及分析
实验分为未填充抑爆材料和添加网状铝合金2组，每组各3个油箱、6发实验中油箱均未发生燃爆。试验结果主要从箱体上的进出孔和网状铝合金的破损2个方面进行分析。油箱上的进出孔如图3所示。
图3 油箱弹丸进出孔图
由图3可知，未填充抑爆材料和添加网状铝合金的油箱进出孔形状都呈花瓣状，进口处的孔径基本相同，但出孔处孔径明显不同。添加铝合金抑爆材料的油箱，箱体变形和出孔处孔径都有明显减小，相比于未添加网状铝合金的油箱，出孔处孔径减小约了20%。可知网状铝合金的添加使得弹丸侵彻油箱过程中能量损失变大，弹丸出孔时含能较少，扩孔较小。
网状铝合金模拟与试验剖面结果如图4所示，由图4可知，试验后将网状铝合金从油箱中取出，结构仍较为完整，与模拟所得剖面变形情况基本吻合。网状铝合金的穿孔处模拟与试验对比如表1所示。综合分析图4和表1可知，网状铝合金穿孔入口处孔径大于出孔处的，模拟与试验结果相差不大。网状铝合金沿弹丸运动方向的铝箔断裂，形成穿孔，穿孔周围铝箔出现小部分变形，但是没有发生断裂。距离穿孔较远的铝箔均未发生变形，整体结构完好，仍可起到一定防爆和防护的效果。
图4 网状铝合金模拟与试验剖面结果示意图
表1 网状铝合金的穿孔处模拟与试验结果
网状铝合金为多孔网状结构，具有吸能作用，其吸能行为和应力应变密切相关。网状铝合金的应力应变曲线分为线性、平台和密实3个阶段，如图5。首先，蜂窝铝在力的作用下发生弹性形变，在应力应变曲线中表现为线性阶段；随着孔壁所受应力增大，一旦超过铝合金的屈服应力时，蜂窝发生塑性毋塌，使得其应力应变曲线出现一段长平台；在压缩后期，蜂窝层层叠加，铝合金基体材料受到冲击发生变形，应力应变曲线急速上升。曲线下方面积代表单位体积的能量吸收[12]，因此大部分的吸能主要在这个阶段进行。
图5 网状铝合金高度方向应力应变曲线
此外，应力波在多孔介质中传播，经历了大量的反射与折射过程，且反射与折射的方向不同，能量的不集中导致了弹丸部分能量的散失。此外，网状铝合金为非完全弹性体材料，应力波在非完全弹性体中传播，会逐渐转化为热能等其他形式能。
2 数值模拟
2.1 建模分析
本研究采用ANSYS/LS-DYNA软件，模拟穿燃弹冲击未添加抑爆材料的含油量100%油箱和填装网状铝合金的含油量100%油箱。模型包含油箱、弹丸、空气、航空煤油和网状铝合金，模型使用solid164实体单元类型，建立1/4模型，弹丸、油箱和网状铝合金采用Lagrange网格，空气和油液都采用流体模型，然后通过ALE流固耦合算法将流体和固体进行耦合。为提高计算的准确性并缩短计算时间，油箱网格设置为1 mm，空气、燃油和网格设置为3 mm，网状铝合金网格设置为2 mm。
弹丸采用长径比为6的12.7 mm穿燃弹，弹丸直径12.7 mm，长为146 mm。油箱的尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，厚度为3 mm，弹丸和油箱之间定义侵蚀接触，对称界面添加对称约束，除对称面外的空气外界面施加非反射边界条件。
2.2 材料模型和状态方程
子弹材料为45#钢，本研究不需要考虑弹丸的变形，为简化模型，将弹丸设置为刚体，不需要添加状态方程。弹丸的材料模型参数如表2所示，表2中ρ为密度，E为弹性模量，PR为泊松比。
表2 弹丸模型参数
在多介质ALE方法计算中，需要建立覆盖整个油液流动范围的空气网格。空气的状态方程选用线性多项式，油箱内所用油液为航空煤油，选用GRUNEISEN状态方程。空气与航空煤油的材料及状态方程参数如表3、表4所示，表中C0-C6为线性多项式方程系数，V0为初始相对体积，C为体积声速，S1-S3为状态方程系数，γ0为GRUNEISEN系数。
表3 空气材料模型及状态方程参数
表4 航空煤油材料模型及状态方程参数
网状铝合金材料选用126号材料模型进行模拟，只考虑材料的整体外形及应力应变情况，不考虑其内部结构，并且考虑到其存在各向异性，定义2个向量a、b，从而计算单元3个方向的模量。定义3个阶段的应力应变曲线，描述蜂窝单元受力时不同阶段的力学特征。该材料不需要添加状态方程。其材料模型参数如表5所示[13]，其中，SIGY为屈服强度，Vf为相对压缩体积，MU为粘性系数。
表5 网状铝合金材料模型参数
油箱箱体材料为铝合金5051，选用Johnson-Cook本构模型描述，状态方程选用GRUNEISEN状态方程。参数如表6所示。
表6 油箱箱体材料模型及状态方程参数
2.3 模拟结果及分析
由图6可知，弹丸侵彻不填充网状铝箔油箱的过程中，弹丸在260 μs时头部穿过箱体后壁，弹丸速度降到最低560 m/s，之后不再变化。当弹丸侵彻填充网状铝合金油箱时，弹丸在290 μs时，头部穿过后壁，速度降为475 m/s。由此可见，添加网状铝箔在一定程度上加快了弹丸速度的衰减，使得弹丸以更低的速度，侵彻油箱后壁，与试验得到的结果，添加铝合金的油箱出孔孔径较小相互印证。
图6 弹丸速度曲线
2.3.1 油箱内部模拟结果分析
油箱内压力曲线如图7。由图7可知，弹丸侵彻油箱的过程，引发油液的水锤效应，使得油液压力作用于箱壁，网状铝合金的阻隔，让箱体承受的压力降低。当弹丸穿过油箱前壁，以撞击点为中心形成冲击波，随后冲击波在油中快速衰减[14]。同时，由于弹丸为高速侵彻体，在其高速侵彻的过程中，头尾产生较大的压力差，再加上油液本身的粘度作用，使得弹丸受到阻滞力，而网状铝合金的存在让弹丸受到更大的阻滞力。在弹丸末端完全穿过油箱后壁时，上部油液仍然有冲击波，顶部箱壁有小量变形。直到500 μs，上部油液压力才几乎趋近于零，顶部箱壁几乎不再变形。
图7 油箱内压力曲线
空穴是水锤效应的一个重要阶段，弹丸穿过油液时，会在其后方形成空穴，空穴反复压缩膨胀，对箱体施加载荷[15-16]。图8为350 μs时油箱内空穴效应效果示意图，由图8可知，网状铝合金的填充，有效缩小了弹丸在油液中形成的空穴范围，进而减弱了水锤效应对箱体的破坏。
图8 空穴效应效果示意图
2.3.2 油箱箱体模拟结果分析
油箱箱体变形情况如表7所示。
表7 油箱箱体变形情况 mm
分析模拟结果，发现穿燃弹在420 μs时完全穿过油箱，油箱的模拟数据均选取420 μs时数据。由表7可知，相比于不添加网状铝合金的油箱，添加网状铝合金的油箱，着靶面最大变形量减少了约26%，出孔面最大变形量减少了约19%，非弹道面最大变形量减小了约27%。
油箱非弹道面所受压力和变形如图9所示，网状铝合金使箱体承受的压力和变形明显减少，综合分析空穴效应对比图和油箱内压力变化，网状铝合金具有很好的吸能作用[17]，明显降低了油液的水锤效应和冲击波对箱体的损伤，增强了油箱的防护性能。
图9 油箱变形位移示意图
3 结论
1) 网状铝合金具有很好的吸能作用，网状铝合金的填充降低了油液的水锤效应和冲击波对箱体的损伤，增强了油箱的抗弹性能。
2) 模拟结果显示，网状铝合金的填充降低了箱体的变形程度，着靶面变形量减少约26%，出孔面变形量减少约19%，出孔处孔径减小约20%。非弹道面最大变形量减小约27%。
3) 网状铝合金中弹后，其结构基本未被破坏，仍可起到一定防爆和防护的效果。
4) 数值模拟结果与试验结果基本吻合，误差小于8%，可以为增强油箱抗弹防护性能提供参考。
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Numerical Simulation and Test of Ballistic Behavior of Aluminum Alloy Explosion Suppression Tank
Citation format:ZHANG Jing， WANG Fengying， LI Chenyang, et al.Numerical Simulation and Test of Ballistic Behavior of Aluminum Alloy Explosion Suppression Tank[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(06):152-156.