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《弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第18卷第1期高压物理学报Vol.18,No.12004年3月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSMar.,2004文章编号:100025773(2004)0120047206X弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟张伟,庞宝君,贾斌,曲焱(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎
2、片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。关键词:微流星体;空间碎片;超高速撞击;碎片云;数值模拟;光滑质点流体动力学中图分类号:V423.42;O347文献标识码:A1引言微流星体及空间碎片的超高速撞击严
3、重威胁航天器的安全在轨运行,造成航天器损伤及发生灾难性失效的事例已发生多起,有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了国内外的高度重[1]视,并基于1947年Whipple提出的Whipple防护,通过高速撞击实验及数值模拟进行了大量航天器[2,3]防护结构防护性能的研究工作,发展了各种防护结构,并用于航天器微流星体及空间碎片的防护。因为超高速撞击实验的速度限制及费用比较高,超高速撞击数值模拟成为防护结构防护性能研究的有效方法。常用的方法有拉格朗日(Lagrange)、欧拉(Euler)、拉格朗日
4、2欧拉耦合(ALE)以及光滑质点流体动力学(SPH)法等。欧拉法难以跟踪界面位置,具有计算时间长和强度(失效)状态和位移历程关系计算精度差等缺点;拉氏法当网格变形严重时需要网格重分,导致计算精度下降,甚至计算失败。而SPH法更适合超高速撞击这样大变形、高应变率现象的数值模拟,是最有效的方法,是一种无网格的拉格朗日法,比其它方法具有更大的实用性。采用SPH法和标准材料模型可以得到与实验非常一致的结[4～6]果。而超高速撞击数值模拟的有效性,在很大程度上取决于防护结构的材料模型。铝合金等金属[4～7]材料的
5、材料模型和相关数据得到了深入研究,具有很高的置信度。本研究采用AUTODYN软件进行了弹丸撞击防护屏所产生碎片云的二维及三维超高速正撞击及斜撞击SPH法数值模拟,研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度、材料模型以及质点大小等对碎片云的影响,并同实验研究的结果进行了比较,验证了数值模拟方法的有效性。2弹丸撞击防护屏碎片云实验研究结果弹丸超高速撞击防护屏将产生碎片云。而对碎片云研究的主要方法是采用高速摄影系统对碎片云的产生和发展进行观测,进而确定碎片云中一些特征点的速度、弹丸破碎的尺寸及其分布。碎片云组成X收
6、稿日期:2003206217;修回日期:2003209222基金项目:国家空间碎片专项研究项目资助作者简介:张伟(1964—),男,博士,副教授,主要研究方向为超高速撞击动力学理论、实验及数值模拟.E2mail:zhdawei@hit.edu.cn48高压物理学报第18卷及实验研究的方案如图1所示,碎片云由内部结构和外壳组成。弹丸的尺寸及形状、防护屏厚度h以及弹丸的撞击速度v是研究的基本变量。数值模拟的质量和有效性取决于模拟的结果同现有高质量实验数据的比较。现有的实验数据基本上是8km/s以下速度铝合金
7、防护结构超高速撞击实验的结果。而满足这种要求的公开数据最典型的是Piekutowski[8]进行的大量实验。其所进行的实验有描述弹丸超高速撞击铝合金防护屏所产生碎片云特性的大量高质量X光照片和数据,而且碎片云中碎片的速图1碎片云组成及实验方案度、破碎的尺寸及其分布也得到了高精度的测量。Fig.1Elementsofdebriscloudandexperimentalsetup用这些照片和数据可以评价数值模拟所产生碎片云质量的好坏。文献[8]的实验主要包括两部分:防护屏厚度h变化,而弹丸直径d和撞击速度v
8、不变,分别为9153mm和约617km/s,h/d从01026～01424变化;h/d为01049,而撞击速度从3177km/s到7123km/s变化。3数值模拟的材料模型和数据弹丸和防护屏的材料模型在实验室撞击条件下(撞击速度在8km/s以下)采用Mie2Grüneisen(Shock)状态方程,强度模型采用Johnson2Cook模型和Steinberg2Guinan模型。而失效模型采用最大主应力。失效应力对弹丸撞击防护屏后破碎产生碎片
