【研究前沿】国防科大卢芳云教授、空工大卿华教授联合团队:弹道高速撞击下充液金属薄壁结构动态响应的理论建模与分析

文摘   2024-12-14 17:00   陕西  

充液薄壁结构在装备工程中十分常见,例如飞机和车辆等目标油箱、舰艇液舱、航天器推进剂贮箱等。充液薄壁结构类部件的毁伤效应分析一直是爆炸与冲击动力学关注的重点。同时,如何解析地描述毁伤元与目标物理毁伤之间的关系也是毁伤评估快速计算的迫切需求之一。充液薄壁结构在破片、射弹、侵彻弹等高速侵彻体的冲击作用下,往往会发生严重毁伤破坏,形成后板的花瓣破孔。造成这一现象的原因是,结构内部流体在极短时间内吸收了侵彻体的大部分动能,从而在流体中形成幅值为百兆帕量级、持续时间为十微米量级的冲击波(即弹道波或水锤),其瞬时能量释放不亚于克级TNT炸药爆炸威力、且具有强烈的空间指向性。关于弹道波的形成机制和理论分析已有一定基础,但是由于弹道波具有独特的时-空非线性分布特征,给与之相关的流-固耦合、结构动态破坏理论求解带来相当的复杂性。

鉴于此背景,国防科技大学卢芳云教授、空军工程大学卿华教授联合研究团队通过采用理论建模与数据学习相结合,提出了弹道冲击作用下金属充液薄壁结构动态响应的系列计算方法,实现了弹道波引发结构物理毁伤效应的解析描述,为相关目标部件的毁伤评估快速计算提供了理论依据和方法支撑。团队系列研究成果以“Dynamic responses of liquid-filled vessels impacted by a high-velocity projectile”、‘“BPNN-based prediction for the shapes of a petal hole induced by ydrodynamic ram”等为题近期发表于International Journal of Mechanical Sciences、Thin-walled structures等力学领域TOP期刊上。

该研究中,团队提出了一种描述充液薄壁结构在高速侵彻体撞击下的动力学响应理论模型,其中重点关注结构后板的动态变形破坏。该理论模型由三个子模型构成:弹道波模型、流-固耦合模型以及花瓣破孔模型。弹道波模型考虑了对射弹在超声速入水时引发“时间反转”现象的修正;基于不定常流体力学理论推导流-固耦合模型考虑了流体和固体的可压缩性,并准确预测了流-固界面空化与有效作用冲量削弱现象;花瓣破孔模型则基于断裂力学理论推导,给出了结构后板花瓣破孔形貌的数学表达公式。该理论模型的计算精度得到了基于3D-DIC原位诊断的弹道冲击实验以及有限元数值仿真验证。

图1 工程报道与文献实验中观测到的弹道波及其诱发的薄壁结构毁伤现象

图2 弹道波独特的时-空非线性分布特征

图3 充液薄壁结构在高速侵彻体撞击下的动力学响应理论模型

当侵彻体为非球形情况时,侵彻体在入水过程中可能会发生姿态翻转,导致充液结构的后板破孔方向发生改变。针对这一问题,团队提出了BPNN和物理方程相结合的方法预测侵彻体入水的位姿变化。首先通过数值仿真获取大量阻力数据,然后基于BPNN算法构建了非球形侵彻体的阻力系数模型,再结合简化的三自由度运动方程,准确预测了侵彻体的出水姿态,为了结构后板的花瓣破孔方向确定提供了依据。

图4 BPNN和物理方程相结合的侵彻体入水位姿和结构破孔方向预测

综上所述,该研究工作提出了弹道冲击作用下金属充液薄壁结构动态响应的系列理论求解方法与路径,并得到丰富的弹道实验与数值仿真结果验证,为相关目标毁伤评估快速计算与分析的工程应用提供了新的技术途径。

论文第一作者为空军工程大学讲师、国防科技大学博士研究生任柯融,通讯作者包括国防科技大学李翔宇教授彭永副教授。该工作由国防科技大学卢芳云教授,空军工程大学卿华教授共同指导完成。合作作者包括郑州大学苗继田王文文袁文豪贾豪博郑雅文等硕士研究生,国防科技大学陈荣教授,郑州大学徐文涛教授,湖南大学何宗楷博士。该工作中的部分弹道实验工作得到了湖北航天飞行器研究所张强研究员王中原高工、宋超慧工程师等同志大力支持与帮助。南京理工大学李向东教授纪杨子燚博士对弹道波建模提供了帮助;海军工程大学侯海量教授、华中科技大学陈长海副研究员对花瓣破孔建模提供了帮助。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目等项目的资助。


原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109811 https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112488 https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112746 https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.111337 

相关延伸链接:

https://doi.org/10.11883/bzycj-2023-0328 https://doi.org/10.13465/j.cnki.jvs.2019.19.036 https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2003.10.019 https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.110835 https://ufdc.ufl.edu/AA00062623/00033

审核:力学家

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