充液金属圆柱壳受弹体冲击的整体变形与局部破坏分析

　　1　引言

　　金属圆柱壳被广泛应用于工业中,作为运输管网来输送气体和液体.特别在核、天然气、煤气、石油等工业部门,受弹体冲击后圆柱壳的破裂会带来灾难性破坏.由于爆炸、高速旋转机械零件断裂等原因形成的自由飞弹或自由下落物体等冲击引起运输管网的破裂,进而诱导爆炸事故,运输管网内易燃易爆液体或气体的泄露加速爆炸,形成新的自由飞弹,因此,这类事故总是一个恶性循环过程.1987年7月6日英国北海Piper Alpha离岸平台的爆炸事故造成167人死亡和近20亿英镑的财产损失,就是由于输送有害气体的圆柱壳受冲击而破裂诱导的[2].自此之后,此课题的实验与理论研究就受到了特别的重视,1988年以来西方各国立法机关对运输管网的安全性提出新的法规,要求对运输管网在冲击载荷下的危害作出评价[3],我国目前还没有定出相应的法规要求.

　　充液圆柱壳受弹体侧向冲击破坏的研究相比内空圆柱壳更富有工程实际意义.由于液体与圆柱壳固液耦合作用使得研究更加复杂和困难.Neilson等[4]进行了充液圆柱壳受弹体冲击破坏的实验研究,提出了Neilson经验公式,该公式已被英国原子能技术局作为圆柱壳在自由飞弹冲击下的破坏判据[5],可用来计算弹道极限速度Vb(弹体正好穿透圆柱壳厚度的速度);Sivadason[2]进行了圆柱壳内介质密度对穿透能量影响的实验研究;Ma[6]进行了充气、水和沙子的圆柱壳在球形弹体冲击下的实验研究.以上实验研究的主要目的是确定弹道极限速度及内压对弹道极限速度或穿透能量的影响.已有的实验结果也并不一致,如Ma得出内压使得弹道极限速度提高,Neilson和Sivadason的实验结果却相反,Neilson的经验公式也仅适用于建立该公式的实验条件,从而难以得出一般的结论.Zhang[7]进行了内空圆柱壳受弹体侧向冲击的理论与实验研究.关于充液圆柱壳受弹体侧向冲击破坏的理论研究结果至今尚未看到.充液圆柱壳受弹体侧向冲击的过程是一个复杂的现象,涉及的因素很多,在亚兵器速度范围内,包括圆柱壳局部破坏和整体变形耦合,圆柱壳的几何尺寸、弹体形状、大变形效应、应变率效应、圆柱壳材料和固液耦合等因素的影响[8~10].建立一个既能包含所有因素又能确定冲击过程的理论模型至今是不可能的.本文在地基梁模型的基础上,考虑平头弹体侧向正冲击圆柱壳引起的冲塞型破坏,并把液体与圆柱壳的固液耦合作用简化为随时间变化的内压对圆柱壳的作用来考虑,使得这一复杂问题得以简化,增加弹体与梁的相对运动和变内压分析,导出刚性平头弹体侧向正冲击受变内压作用的金属圆柱壳整体变形、弹体侵彻直至穿透破坏的理论分析模型.