充气压力容器高速撞击实验研究

! 实验结果及分析
铝罐高速撞击的实验结果如表 !。对于本文的撞击实验速度条件， 由航天器单防护结构 ［> 8 A］ 的撞击实验 可以知道， 因弹丸速度比较低， 弹丸撞击铝罐前壁后并没有破碎， 对后壁仍造 成穿孔的损伤。未防护铝罐受到的撞击损伤随着其内压的增加而发生变化。在未充入气体和 较低的压力下， 铝罐的前壁出现一个简单的向内翻的穿孔； 而在铝罐的后壁出现一个向外翻的 不规则穿孔， 周围还有一些小孔的损伤。由图 ? 所示的实验样件可以看到， 铝罐未充气时在铝 罐前壁和后壁的穿孔损伤均有撕裂产生。这样当铝罐内充入气体压力比较大时， 弹丸在前壁 或后壁产生的穿孔或撕裂尺寸超过了具有一定压力容器裂纹失稳的临界裂纹尺寸， 就会在这 些撕裂的尖端处开始产生裂纹失稳扩展。当铝罐内压增加超过 :@?9CD) 时， 铝罐发生从后壁 开始的裂纹失稳扩展或从前壁开始的裂纹失稳扩展。图 7 为铝罐后壁发生裂纹失稳扩展损伤 的实验样件， 图 ; 为铝罐前、 后壁均发生裂纹失稳扩展损伤的实验样件。由图 ; 可以看到， 当 发生铝罐前、 后壁的裂纹失稳扩展， 这主要是因为 压力大于 :@?9CD) 而弹丸的动能比较大时，
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第 ?: 卷
（ )） 为未防护实验方案， （ 6） 为防护实验方案。 采用小长径比柱状铝弹丸正撞击铝压力容器样 件， 压力容器样件采用比较便宜的铝饮料罐。 这种小尺寸铝饮料罐可为充气和充液压力容器 高速撞击的响应提供数据来源， 预报价格昂贵、 大尺寸压力容器的撞击响应， 预报大尺寸容器
［7 8 9］ 的损伤和失效形式 。小尺寸铝罐的实验研
度等于撕裂尖端之间最大的轴向距离。在给定铝罐工作内压的条件下， 应力强度因子随初始 裂纹长度的增加而增加， 当应力强度因子的值等于材料的断裂韧性时， 铝罐处于裂纹失稳扩展 的临界状态， 也即铝罐被撞击的初始裂纹长度接近于裂纹失稳扩展的临界长度。图 8 给出了 铝罐内压与临界裂纹长度的关系， 并给出未失稳的实验点， 后壁失稳的实验点取未失稳实验后 壁裂纹的平均长度。由图可见： 采用两个公式， 在铝罐失稳扩展的临界压力为 9:$!;<+ 时， 临 界裂纹长度位于 &0 = &2>> 之间， 当压力大于 9:$!;<+ 时， 随压力增加， 临界裂纹长度是逐渐 减小的。在实验 ?&9 中， 内压为 9:&;<+ 时， 后壁的损伤为一个向外翻的穿孔， 具有一个 &9>> 的轴向撕裂， 但这种撕裂并未引起裂纹失稳扩展， 因为裂纹的长度比采用公式预报的临界裂纹 长度 $8>> 小。当压力增大到 9:0;<+ 时， 预报的临界裂纹尺寸为 &$>>， 但实际弹丸撞击产生 万方数据 的初始裂纹平均长度为 &9>>， 铝罐却发生失稳扩展。方程预报的临界裂纹长度比实际的裂纹
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" 实验研究方法
充气压力容器高速撞击的实验研究在二级轻气炮上进行。实验研究的方案如图 ) 所示，
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收稿日期：)HHH9)"9);； 修回日期：!"""9":9)" 基金项目：航天基金项目 （!! ’ ! ’ ;）
万方数据 伟 作者简介：张 （)H<#—
） ， 男， 博士研究生， 副教授。
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! 裂纹失稳扩展临界尺寸的分析
由实验可知， 弹丸撞击具有一定压力铝罐的前壁产生穿孔， 或弹丸撞击前壁后产生的碎片 在后壁产生的撕裂和穿孔， 当其尺寸达到一定值时， 都会引起裂纹的失稳扩展。此时， 容器的 交叉裂纹将容器分成两个或更多的碎片。容器轴向的裂纹长度占主要。小的撕裂在撞击区域 的最大孔处沿轴向形成， 同周向应力垂直， 周向应力最大。但是破裂的方向受孔周围应力集中 的影响， 造成破裂沿着折线的方向发展。如果撞击应力引起的撕裂尺寸超过临界裂纹尺寸， 将 发生裂纹失稳扩展。如果没有超过临界裂纹尺寸， 裂纹不会发生进一步增长。薄壁柱状容器 的最大周向应力 ! （&） !" # $ " % # 式中： # 是柱状容器的内压， ! 和 " 是容器的直径的壁厚。铝罐由于穿孔而造成的泄压忽略。 确定铝罐高速撞击损伤的临界裂纹尺寸是比较复杂的， 它受一系列因素的影响， 包括铝罐 材料性能 （如断裂韧性） 、 双向应力以及结构的细节影响 （壁厚和刚度） 等。对于本实验中临界 ［-］ 裂纹尺寸的估计， 采用 ’()*+, 提出的关系式 %$ & . $ &.$ （ （& / 0 1 $2 ） （$） $ #! %） " ! !" 来确定应力强度因子。这是线弹性断裂力学方法， 考虑在撕裂附近柱状容器壁向外鼓包的影 响， 适用于容器壁产生相对小的轴向裂纹。对于弹塑性和非线性的问题来说是比较保守的。
究可为大尺寸压力容器实验方案的确定提供依 据， 避免大尺寸实验样件的浪费。铝罐由 7::;1 其 直 径 >>’’， 长 !?7’’， 壁厚 <!= 铝 制 成， 7 材料密度为 ?@A?$ B *’ ， 准静态断裂韧 :@!?’’，
"#$% ! 图! 充气铝罐撞击实验方案
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! 引
言
微流星及空间碎片的高护微
［)］ 流星及空间碎片高速撞击的研究引起了国内外航天器研究和设计者的高度重视 。航天器上
的各种压力容器是受空间碎片威胁最大的关键部件， 是航天器用来储存液体和含能高压气体 或液体的部件。微流星及空间碎片对压力容器高速撞击造成的损伤是相当复杂的， 其损伤从 简单的容器壁穿孔、 撕裂到整个容器发生裂纹失稳扩展。穿孔产生泄露， 可能破坏航天器的姿 态控制； 裂纹失稳扩展将产生新的高速空间碎片向四周飞射， 这些高速二次碎片进一步威胁航 天器， 造成航天器过早失效。充气压力容器和充液压力容器的撞击损伤是不同的。充液压力 容器撞击损伤的主要形式为在撞击点或容器的薄弱处破裂； 而充气压力容器的裂纹失稳扩展 发生在容器的前壁或容器的后壁。因此有必要进行充气压力容器高速撞击的实验研究， 加深 对损伤机理和损伤现象的理解， 探索和确定裂纹失稳扩展同撞击条件、 容器内压、 容器材料和 防护方法的关系。文献 ［! C :］ 中， 在较高的速度条件下采用球形弹丸对容器进行实验， 研究了 撞击产生的碎片云在容器内的传播及对容器的损伤。而在本文中， 采用柱状弹丸在较低的速 度条件下， 进行了充气压力容器高速撞击的实验研究， 用于确定容器内压力和防护对压力容器 损伤的影响。得到了充气压力容器损伤的一些特点和规律， 确定了容器发生简单穿孔和发生 裂纹失稳扩展的临界压力， 并对发生裂纹失稳扩展的临界穿孔尺寸进行了分析。
’()* +&%,-(./ (01#-. .&2. 3&24%.2 5,3 #%40(6(40 -#6 铝罐内压 ! %&’ * * * , 3. * , 3. * , +* * , 3* * , 1* * , 3* * , 1. * , 3. * , 2* 后壁损伤 ! ## 裂纹长 0 , .* 裂纹长 0 , 12 裂纹长 4 , 2* 裂纹长 - , .* 裂纹长 +* , ** 失稳扩展 裂纹长 ++ , 3失稳扩展 裂纹长 +* , 24 失稳扩展 失稳扩展 弹丸动能 !( 1-* 13* 1.1+* 1-/ 1/3 141 2*2 140 1.2 3*1
充气压力容器高速撞击实验研究
张 伟， 庞宝君， 邹经湘
（哈尔滨工业大学航天工程与力学系， 黑龙江 哈尔滨 ):""")）
摘要：为了确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳扩展的界限， 实验采用长径比为 "=:< 的铝柱状弹丸在约 )=>?@ A B 的速度下正撞击铝罐。大部分实验采用的是 未防护的铝罐， 铝罐的压力从 " C "=#D,E 变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝罐 前、 后壁从穿孔到裂纹失稳扩展的实验结果。防护铝罐的主要损伤是其前壁的裂纹失稳扩展。确 定了发生裂纹失稳扩展的临界压力， 并对发生裂纹失稳扩展的临界尺寸进行了分析。 关键词：空间碎片； 高速撞击； 航天器； 压力容器； 裂纹失稳 中图分类号：.;F:； $#!; ’ # G ) 文献标识码：1
性 ! !*为 ;;@9CD) ・ 。铝罐的顶部通过二合一快固胶密封并与同压力表、 充气阀、 充气管 ’: % 9［9］ 等连接的 E 形接头连接， 充气管与气瓶连接， 实现对铝罐的充气。实验时铝罐内充入不同压力 （压力小于 !7@77?D)） 内。铝弹丸直 的高纯氮气， 最大到 :@;CD)。将铝罐固定在抽真空的靶舱 径 9@;’’， 长径比为 :@9>， 撞击速度在 !@AF’ B - 附近的区域。为了得到充气铝罐裂纹失稳扩展 前的损伤基本尺寸， 去掉气体压力和静态应力的影响， 将未充气铝罐开口放在准真空的靶舱 内， 进行了两次高速撞击实验， 得到了铝罐前壁和后壁的损伤尺寸， 为充气铝罐的撞击实验提 供了比较依据。同时进行两次防护铝罐正撞击实验， 在铝罐的前面距其前表面距离 " G >>’’ 处放一厚度为 :@9’’ 的铝合金防护屏， 观察铝罐的损伤， 用于同未防护铝罐的撞击实验结果 进行比较。