Al∕Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究

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1、第30卷第6期航天器环境工程2013年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING581Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究1,21,22321,2侯明强，龚自正，徐坤博，郑建东，曹燕，牛锦超（1.可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094；2.北京卫星环境工程研究所，北京100094；3.中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094）摘要：文章采用数值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应过程，分析了冲击波在阻抗梯度材料中的传播规律，计算了撞击过程中的能量耗散情况，并与

2、弹丸撞击铝合金靶的结果进行了比较。研究结果表明，相对于铝合金材料，Al/Mg阻抗梯度材料：1）延长了冲击波的传播时间，使峰值压力脉冲的比冲量提升了30%～50%；2）提高了塑性功和内能转化量，使不可逆功增加了10%。由此证明阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。关键词：阻抗梯度材料；空间碎片；超高速撞击；防护机理；数值仿真中图分类号：O313.4;V520.7文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)06-0581-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2013.06.0030引言入了解阻抗梯度材料在超高速

3、撞击下的响应特性和物理本质，有助于分析和解释阻抗梯度材料防护阻抗梯度材料是指波阻抗（密度与零压声速的性能优异的原因，对高性能防护结构研发与工程设乘积）在某一方向上呈现连续或阶梯性变化的材计具有重要意义。本文采用数值仿真方法研究超高料。研究表明，以阻抗梯度材料作为缓冲屏的空间速撞击下冲击波在Al/Mg阻抗梯度材料中的传播碎片防护结构，其防护性能显著优于Whipple防护[1-2]规律，定量分析冲击波的能量转化特性，揭示阻抗结构，且不亚于各种增强型防护结构，如多层梯度材料的超高速撞击机理。[3-4][5-6]冲击防护结构、铝网双层防护结构、蜂

4、窝夹层板防护结构[7]、填充Whipple防护结构[8]和泡沫铝1计算模型[9-11]防护结构。阻抗梯度材料在超高速撞击防护领仿真计算所取的撞击靶板材料采用Al/Mg阻抗域显示出了很好的工程应用前景。梯度材料，弹丸材料为铝合金，用等面密度的铝合金国内外研究人员已对阻抗梯度材料的超高速撞靶板（简称Al靶板）作为对比研究。靶板和弹丸参[12]击特性进行了一定的研究。Huang等研究了铁基数详见表1。[13]非晶合金/铝合金复合材料的撞击特性，Tamura等表1靶板和弹丸的参数Table1Parametersoftargetsandprojec

5、tile研究了碳化硅纤维/铝合金复合材料的撞击特性，均靶板厚度/弹丸直径/证实了阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。Guo撞击模型靶板材料mm弹丸材料mm等[14-15]研究了TiB/2024Al和钛合金网强化的铝合Al弹丸-2Al2024-T41.5Al2024-T410.0Al靶金复合材料的微观损伤特性。然而上述这些研究尚Al弹丸-Al2024-T4/0.8/1.1Al2024-T410.0未涉及阻抗梯度材料的超高速撞击机理。Al/Mg靶Mg(AZ31)B(总计：1.9)研究阻抗梯度材料的超高速撞击机理，可以深计算模型的建立采用Grün

6、eisen状态方程和————————————收稿日期：2013-05-09；修回日期：2013-11-18基金项目：国家重点基础研究发展计划（项目编号：2010CB731600）；国家国防科工局空间碎片专项（编号：KJSP06209和K0202210）作者简介：侯明强（1984—），男，博士研究生，主要从事空间碎片防护研究。通信作者：龚自正（1964—），男，研究员，博士生导师，主要从事航天器空间碎片超高速撞击、材料动态力学性能和高压物理研究；E-mail:gongzz@263.net。582航天器环境工程第30卷Steinberg强度模

7、型；取最大拉应力破坏失效准则，波继续在镁合金中传播，当达到自由面时产生稀铝合金和镁合金材料的最大拉应力取为1.5GPa；撞击疏波，对冲击波进行卸载，直到镁合金中的压力速度范围为3.0～7.0km/s，速度步长取为0.5km/s。卸载到0。此时镁合金对铝合金中压力卸载的阻止数值仿真计算工具采用AUTODYN-3D软件。作用消失，铝合金中压力重新开始卸载，直到其弹丸的SPH粒子尺寸取为0.2mm；Al靶板的尺压力卸载到0。由于存在波阻抗梯度的特性，寸为60mm×60mm×1.5mm（厚），Al/Mg靶板尺寸Al/Mg靶板中冲击波的传播时间大大

8、延长，达到了为60mm×60mm×1.9mm（厚），二者的SPH粒子尺645.5ns（如图2(b)所示）。寸均为0.15mm。图1(a)为弹丸撞击Al靶板的计算模型，图1(b)为弹丸撞击Al/