蜂窝夹层板超高速撞击极限方程分析.pdf

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1、2013年10月第5期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology蜂窝夹层板超高速撞击极限方程分析贾光辉欧阳智江(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要为分析撞击极限方程对蜂窝夹层结构的穿透特性的预测能力，调研得到了3类撞击极限方程的表达形式和等效方法，以及131个采用碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板结构的试验数据，并对撞击极限方程的预测能力进行了比较计算。结果发现，MET方程对他源数据的四种(未失效、失效、总体以及安全)预测率均大于80％，进行在轨航天器结

2、构的失效分析时可优先选用；SRL方程对本源数据的安全预测率达到了100％，在他源数据上的安全预测率也很高，适用于航天器防护结构设计。探讨了撞击极限方程中的系数、速度分界值的优化思路，以提高撞击极限方程的预测率。关键词蜂窝夹层板超高速撞击撞击极限方程预测能力等效方法DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0031引言在卫星板式结构中，蜂窝夹层板结构的应用可占80％～90％[1]，其轻质、高比强度、高比刚度、抗震、隔热等性能优点，以及蜂窝夹层板的面板常用材料由铝合金逐渐替换为碳纤维复

3、合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP)，应用更加广泛。作为一种由铝蜂窝夹芯、CFRP前后面板加工而成的结构型复合材料，其承载的力学特点是其获得广泛应用的基础：承受使结构面板延伸和收缩变形的直接载荷以及使面板扭曲变形的剪切力和弯曲载荷[2]。然而结构承载和刚度方面的优势，在对付以超高速碰撞为特征的空问碎片时，其防护特性如何反映几何、材料等方面的特性也是航天器防护设计工程的关注问题。撞击极限方程是在几何、材料等方面全面刻画抗撞击能力的重要方程，然而相比于Whipple等常用防护结

4、构，蜂窝夹层板结构由于结构复杂，其超高速碰撞特性的研究仅在物理实验方面获得了少量成果[3]，已有的蜂窝夹层板结构的撞击极限方程尚不能满足国内航天器设计的工程需求。2004年，文献E4]曾针对面板为CFRP的蜂窝夹层板的Christiansen方程、Frost1方程、Frost2方程以及Taylor方程进行过方程差异性研究，提出了预测率更高的MET方程；2008年文献I-5]又进一步进行了差异性研究，且以提高弹道性能的预测精度为目标，提出了SRL方程。由于这些方程的形式不同、数据源不同、评价方式也不一致，有关结果需

5、要进一步分析。为此，本文给出了撞击极限方程的各种预测率指标的简单形式，据此对各方程在本源数据和他源数据上的预测能力进行定量比较分析，为防护性能分析和防护结构设计两种场合下方程的选用提供依据，并在最后探讨了撞击极限方程的系数优化和速度分界值优化的思路。国家空间碎片专题(K0201101／3／6)资助项目收稿日期：20120912。收修改稿日期：20121205中国空间科学技术2013年10月CFRP撞击极限方程2．1CFRP撞击极限方程的类型除蜂窝芯外，由于蜂窝夹层板结构前、后面板的布置形式与Whipple结构类似

6、，其撞击极限方程初始主要通过修正Whipple结构的撞击极限方程获得[6]，如Christiansen撞击极限方程，在1992年以后就被频繁用于蜂窝夹层板碎片撞击的风险评估口]，该方程由3个速度段函数组成旧J，分别为弹道段(即低速段)、超高速段以及中问的过渡段，其中过渡段采用线性插值得到。1997年，Frost等人通过对AXAF卫星的研究，基于Christiansen撞击极限方程提出了两种改进方法，称之为Frost1和Frost2方程凹]。1999年，Taylor等人基于试验数据进～步提出了Taylor方程口0

7、

8、。以上Christiansen、Frost1、Frost2和Taylor四个方程都是基于Whipple结构的修正型撞击极限方程得到的，可统称为修正型方程。然而2001年欧空局的一系列实验表明，修正型方程针对不同尺寸的蜂窝夹层板结构，预测准确性不够好，有些结果还存在较大的误差[11【。文献[12]基于ESATripleWall(ETW)方程，通过引入系数K。。和K。D以及失效因子gi(后板发生临界分离剥落时取0．65，后板临界穿孔时取0．83)的方式，提出了ModifiedESATriple(MET)方程¨j。20

9、08年，文献[5]基于ESATripleWall(ETW)方程提出了SRL方程，与MET方程不同之处在于，SRL方程给定系数K。。和K。D的具体值(K。。为1．1，K。D为0．4)，且将速度分界值分别从3km／s变为4．2km／s、7km／s改进为8．4km／s。综上所述，针对CFRP面板的蜂窝夹层板，以上3类(共6个)蜂窝夹层板撞击极限方程的发展过程如图1所示。主要体现