當(dāng)一枚高速飛行的彈片或破片擊中飛機(jī)油箱、船舶燃料艙或裝甲車儲(chǔ)液罐時(shí)，瞬間產(chǎn)生的劇烈沖擊波和空化現(xiàn)象會(huì)引發(fā)毀滅性的結(jié)構(gòu)破壞，這一過(guò)程被稱為流體動(dòng)力學(xué)撞擊效應(yīng)（Hydrodynamic Ram， HRAM）。長(zhǎng)期以來(lái)，為了提升安全性并抑制液體晃蕩，工程實(shí)踐中普遍采用帶有隔板的多艙室設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu)建這些充液容器。然而，令人遺憾的是，大多數(shù)基礎(chǔ)性的HRAM研究仍依賴于理想化的單艙室模型，這使得我們無(wú)法準(zhǔn)確捕捉多艙室系統(tǒng)中破片侵徹和流體響應(yīng)的顯著差異。隔板究竟如何影響破片的減速過(guò)程？能量在多個(gè)艙室之間是如何傳遞和分配的？空泡的形態(tài)又是如何演變的？這些關(guān)鍵問(wèn)題至今缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和定量理解，成為了多艙室充液容器安全設(shè)計(jì)中的一塊“盲區(qū)”。

為了填補(bǔ)這一空白，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的李青聰、馬士新、季揚(yáng)子怡、周蘭偉和李向東團(tuán)隊(duì)在《Defence Technology》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)開創(chuàng)性研究。他們通過(guò)精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與高保真的數(shù)值模擬相結(jié)合，首次系統(tǒng)揭示了高速破片侵徹多艙室充液容器過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)奧秘。研究發(fā)現(xiàn)，隔板的存在并非僅僅起到分隔作用，它會(huì)導(dǎo)致破片在穿越時(shí)發(fā)生“階梯式”的局部減速，并顯著改變局部流場(chǎng)，從而在隔板附近引發(fā)空泡的局部擴(kuò)張。更令人驚訝的是，破片損失的動(dòng)能（Kinetic Energy Loss）在各艙室間的分配比例近乎恒定，不受初始動(dòng)能大小的顯著影響，大致穩(wěn)定在艙室I占63%、艙室II占24%、艙室III占11%。這種穩(wěn)定的能量分配模式直接導(dǎo)致了各艙室內(nèi)空泡的塌陷并不同步，呈現(xiàn)出復(fù)雜的異步演化特征。此外，每個(gè)艙室的最大空泡直徑和體積均與破片的初始動(dòng)能呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)為理解和預(yù)測(cè)多艙室充液容器在高速?zèng)_擊下的力學(xué)行為提供了全新的視角和重要的定量依據(jù)。

研究人員為開展此項(xiàng)研究，綜合運(yùn)用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方法。首先，自主設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)外部尺寸為710 mm × 470 mm × 460 mm的三艙室充水容器模型，其內(nèi)部通過(guò)兩個(gè)2A12-T4鋁合金隔板（Baffle）分隔，并設(shè)有聚碳酸酯觀測(cè)窗。其次，利用14.5 mm滑膛彈道槍發(fā)射直徑為9.5 mm、質(zhì)量約8 g的鎢合金球形破片，實(shí)現(xiàn)了634.40 m/s至1314.91 m/s共五檔不同速度的高速?zèng)_擊。關(guān)鍵的測(cè)量手段包括：采用時(shí)間到達(dá)（Time-of-Arrival, TOA）屏幕和高速相機(jī)（Revealer S1315M/C，幀率22,701 fps）精確測(cè)量破片速度；通過(guò)高速成像系統(tǒng)全程捕捉破片侵徹與空泡動(dòng)力學(xué)過(guò)程；在容器底部安裝四個(gè)壓力傳感器（KD2016L型）記錄各艙室壓力變化。最后，基于ANSYS/LS-DYNA軟件建立了經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的四分之一對(duì)稱有限元模型，采用任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler, ALE）方法模擬流體（水和空氣）與拉格朗日結(jié)構(gòu)（破片、壁板、隔板）的相互作用，并通過(guò)在隔板背景網(wǎng)格中預(yù)填充空氣的關(guān)鍵技術(shù)，成功克服了以往模擬中空泡演化不連續(xù)的難題。

通過(guò)高速攝像機(jī)記錄，研究直觀展示了破片侵徹全過(guò)程及引發(fā)的空泡動(dòng)力學(xué)。以初始動(dòng)能E_i= 1.56 kJ（對(duì)應(yīng)初始速度v_i= 634.40 m/s）的沖擊為例，空泡從生成、膨脹到塌陷的過(guò)程被清晰捕捉。一個(gè)顯著特征是，在隔板的沖擊面附近觀察到了環(huán)狀的局部空泡擴(kuò)張。壓力傳感器記錄顯示，壓力響應(yīng)具有明顯的階段性特征：初始侵徹和空泡快速生長(zhǎng)期對(duì)應(yīng)短促的高壓脈沖；隨著破片依次穿透隔板，新的錐形空泡在后續(xù)艙室中再生并擴(kuò)張；在破片離開某個(gè)艙室后，該艙室空泡的軸向生長(zhǎng)受限，徑向擴(kuò)張持續(xù)，各艙室空泡形態(tài)開始分化。尤為重要的是，空泡的收縮和塌陷在各艙室中異步發(fā)生。例如，艙室I尾部的空泡首先開始收縮，隨后是艙室III頭部的空泡，而艙室II的空泡可能仍在膨脹。塌陷順序也不同，艙室III最先塌陷，隨后艙室II和艙室I的塌陷依次發(fā)生在隔板1附近。這種異步演化反映在壓力歷史上，表現(xiàn)為晚期壓力瞬變?cè)跁r(shí)間上集群分布而非單一同步峰值，其中艙室II（傳感器P₂和P₃）在空泡收縮至塌陷期間表現(xiàn)出最強(qiáng)、最頻繁的壓力瞬變。

數(shù)值模擬將侵徹過(guò)程細(xì)分為八個(gè)階段：穿透前壁（Penetration phase I）、艙室I中破片入水激波（Shock phase I）、艙室I中流體拖曳（Drag phase I）、穿透隔板1（Penetration phase II）、艙室II中拖曳（Drag phase II）、穿透隔板2（Penetration phase III）、艙室III中拖曳（Drag phase III）以及出口階段（Exit phase）。破片的絕對(duì)減速度曲線顯示，在穿透前壁和入水時(shí)出現(xiàn)兩次急速上升。當(dāng)破片接近并穿透隔板時(shí)，減速度曲線呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的峰值，表明隔板對(duì)破片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了顯著的局部阻礙。有趣的是，在破片與隔板物理接觸之前，由于拖曳壓力波在隔板沖擊面上的累積，破片的減速度已開始逐漸增加。這表明隔板不僅通過(guò)直接的機(jī)械阻力耗能，還通過(guò)影響壓力波場(chǎng)間接地促進(jìn)了破片的動(dòng)能衰減。

破片的動(dòng)能衰減大致呈指數(shù)趨勢(shì)，但在撞擊容器壁和隔板時(shí)衰減會(huì)加速。隨著初始動(dòng)能E_i的增加，破片在侵徹、激波、拖曳和出口各階段損失的能量（ΔE_k）均增加。然而，各艙室拖曳階段的能量損失比例（ΔE_k/E_i）在所有E_i下保持穩(wěn)定：艙室I在50%–57%之間波動(dòng)，艙室II在17.2%–18.5%之間，艙室III在6.2%–7.9%之間。總體來(lái)看，破片動(dòng)能損失在艙室I、II、III的貢獻(xiàn)比例分別穩(wěn)定在約62%–63%、23%–24%和10%–11%。

能量分解分析表明，結(jié)構(gòu)部件（前壁、后壁、隔板）的內(nèi)能增量（主要反映塑性變形功）占總初始動(dòng)能的比例很小（前壁約0.6%-1.1%，隔板約0.4%-1.1%），且隨E_i增加略有下降。液體（水）的內(nèi)能增量（與壓力波傳播和壓縮性相關(guān)）和動(dòng)能增量（流體加速）是能量耗散的主要途徑。當(dāng)破片離開每個(gè)艙室時(shí)，該艙室液體的總能量（內(nèi)能+動(dòng)能）比例也保持穩(wěn)定：艙室I約52.37%–53.2%，艙室II約25.2%–27.3%，艙室III約11.3%–12.7%。在艙室II和III中，液體總能量甚至超過(guò)了破片在該艙室內(nèi)直接耗散的能量，這歸因于上游破片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力波在破片到達(dá)前就已擾動(dòng)了下游液體，證明了強(qiáng)烈的艙室間耦合效應(yīng)。正是由于結(jié)構(gòu)塑性功占比小，且液體壓力波驅(qū)動(dòng)和內(nèi)能/動(dòng)能途徑對(duì)E_i的歸一化穩(wěn)定性，共同導(dǎo)致了觀察到的破片動(dòng)能損失在各艙室比例的恒定性。

空泡的動(dòng)力學(xué)與流體速度分布密切相關(guān)。在破片穿透前壁進(jìn)入艙室I液體時(shí)，會(huì)形成一個(gè)錐形先驅(qū)空泡。隨著破片向前運(yùn)動(dòng)，空泡主要徑向膨脹。當(dāng)破片接近隔板時(shí)，其前方的液體流動(dòng)受到阻礙，速度降低，壓力升高，導(dǎo)致空泡在隔板沖擊面附近發(fā)生局部擴(kuò)張，形成環(huán)形凸起。破片穿透隔板后，在新的艙室中再生一個(gè)錐形空泡。空泡的最終塌陷由液體回流的慣性主導(dǎo)，從空泡尾部開始向頭部推進(jìn)。

隔板導(dǎo)致的局部空泡擴(kuò)張主要源于其對(duì)局部流場(chǎng)的重構(gòu)。在破片接近隔板的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)所推動(dòng)的液體流在隔板表面受阻，流速降低，動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，從而在隔板前方的局部區(qū)域形成了一個(gè)相對(duì)高壓區(qū)。這個(gè)高壓區(qū)抵抗了空泡壁的向內(nèi)收縮趨勢(shì)，甚至推動(dòng)其向外擴(kuò)張，從而在隔板沖擊面附近形成了特征性的環(huán)形擴(kuò)張空泡。

研究定量分析了初始動(dòng)能E_i對(duì)各艙室空泡最大尺寸的影響。結(jié)果表明，每個(gè)艙室的最大空泡直徑（D_max）和空泡體積（V_max）均與E_i呈顯著的線性正相關(guān)。這意味著，輸入容器的能量越多，最終在各艙室中形成的空泡就越大。空泡體積隨時(shí)間的變化也顯示，最大體積隨E_i線性增加，且達(dá)到最大體積的時(shí)間和完全塌陷的時(shí)間也隨E_i增加而延長(zhǎng)。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，系統(tǒng)闡明了高速破片侵徹多艙室充液容器過(guò)程中的關(guān)鍵物理機(jī)制。主要結(jié)論如下：第一，隔板的引入不僅對(duì)破片產(chǎn)生直接的機(jī)械阻力，還通過(guò)改變壓力波場(chǎng)導(dǎo)致破片在穿越時(shí)間點(diǎn)發(fā)生局部減速，顯著增加了破片的動(dòng)能耗散。第二，破片損失的動(dòng)能在三個(gè)艙室間的分配比例高度穩(wěn)定（約63%， 24%， 11%），且對(duì)初始動(dòng)能大小不敏感。這一恒定比例源于能量耗散主要受控于液體的壓力波過(guò)程和動(dòng)能轉(zhuǎn)換，而結(jié)構(gòu)塑性變形貢獻(xiàn)較小且穩(wěn)定。第三，空泡動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)出獨(dú)特的異步演化特征，各艙室空泡的收縮與塌陷并不同步，這是由于能量按固定比例分配和耗散所導(dǎo)致的必然結(jié)果。第四，隔板會(huì)重構(gòu)局部流場(chǎng)，在其沖擊面附近引發(fā)環(huán)狀空泡的局部擴(kuò)張。第五，各艙室的最大空泡直徑和體積均與破片的初始動(dòng)能呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

這項(xiàng)研究具有重要的工程意義。首先，它揭示了多艙室容器中能量耗散的“前端重載”特性（艙室I消耗大部分能量），這提示在安全設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先強(qiáng)化首個(gè)被沖擊艙室的抗沖擊能力。其次，破片動(dòng)能按恒定比例分配于各艙室的規(guī)律，為預(yù)測(cè)后續(xù)艙室所承受的沖擊載荷提供了一種潛在的簡(jiǎn)化方法。第三，空泡異步塌陷導(dǎo)致的壓力載荷非同步性，可能引發(fā)更復(fù)雜的應(yīng)力反轉(zhuǎn)和振動(dòng)疊加，在疲勞評(píng)估和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)需要予以特別考慮。第四，研究所建立的、能夠再現(xiàn)連續(xù)空泡演化的已驗(yàn)證數(shù)值模型，為后續(xù)多艙室容器在更廣泛沖擊條件下的性能評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠工具。總之，這些發(fā)現(xiàn)深化了對(duì)多艙室充液容器HRAM效應(yīng)機(jī)理的理解，為其安全設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供了寶貴的定量依據(jù)和嶄新的設(shè)計(jì)視角。