丝网防护屏碎片云特性数值模拟研究.pdf

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1、第27卷第3期高压物理学报Vo1．27，No．32013年6月CHINESEJOURNAL0FHIGHPRESSUREPHYSICSJune。2013文章编号：1000—5773(2013)03—0391-07丝网防护屏碎片云特性数值模拟研究庞宝君，林敏，张凯，傅翔(哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心，黑龙江哈尔滨150080)摘要：丝网作为一种颇具潜力的轻质防护屏候选材料，在新型防护结构开发中具有广泛的应用前景。为了掌握丝网防护屏超高速撞击特性，采用数值仿真方法模拟球形弹丸分别撞击连续型防护屏和丝网防护屏，研究相同厚度及面密度的2种防护屏受到弹丸撞击后产生

2、的碎片云形态、质量、速度和动量分布的差异。结果表明，丝网防护屏碎片云随撞击位置不同呈现不同形态，但碎片云前端均存在带状碎片分布区域。在丝网防护屏产生的碎片云中，碎片主要分布于碎片云后端，丝网不能有效地减缓入射弹丸速度，其作用主要为切割弹丸。弹丸撞击2种防护屏后，弹丸破碎形成的碎片云中相同部位呈现不同速度变化规律。丝网防护屏碎片云动量密度峰值均高于相同厚度连续型防护屏碎片云，而相同面密度的2种防护屏碎片云动量密度峰值接近。关键词：丝网防护屏；连续型防护屏；碎片云；数值仿真中图分类号：0347．3文献标识码：A1引言微流星体和空间碎片的超高速撞击可能损伤航天器的关键

3、系统，进而导致航天器发生灾难性失效，威胁航天器的安全运行[1]。目前航天器对毫米级微流星体和空间碎片的防护，主要是基于加装防护屏的被动防护，弹丸撞击防护屏后破碎形成碎片云，减少了动量通量密度并降低了速度，进而对航天器提供有效的保护。面对日益恶化的空间碎片环境，新型轻质高效的防护结构开发受到了越来越多的重视。丝网以其具有结构简单、面密度低等优点，成为一种颇具应用潜力的防护屏材料。对防护屏按结构分类，可将丝网定义为非连续型防护屏，相应地，薄板可定义为连续型防护屏。Christiansen对网格双防护结构进行了研究，建立了其撞击极限方程，在相同防护效果的基础上，与Wh

4、ipple防护结构相比，可减轻30的质量_2。；H6rz通过实验，研究了丝网及连续型防护屏的区别，观察到丝网防护屏与连续型防护屏在损伤形态、最大坑深等方面存在明显区别，对丝网防护屏在防护结构中应用的可行性进行了探索；Magkov通过理论分析，研究了丝网参数对弹丸破坏效应的影响规律，并进行了简单的数值计算_8_。目前，对于丝网防护屏的研究成果多为实验性的定性分析，相对于连续型防护屏，丝网防护屏的研究还很不充分。数值仿真作为一种辅助手段，在空间碎片超高速撞击研究中具有重要的作用，它不仅能弥补实验条件的不足，还可充分了解撞击的全过程以及超高速撞击现象的内在机理，并可直

5、接获得碎片云的定量物理数据。本研究在数值仿真手段有效性已取得验证的基础上]，对球型弹丸超高速正撞击丝网防护屏和连续型防护屏产生的碎片云进行定量研究。研究撞击相同厚度及相同面密度的丝网防护屏和连续型防护屏后碎片云的质量、速度和动量分布特性，并考虑撞击位置对碎片云形态和分布的影响。*收稿日期：2011-09—01；修回日期：2011-10—18作者简介：庞宝君(1963一)，男，博士，教授，主要从事空间碎片防护研究．E-mail：pang~@hit．edu．cn通讯作者：林敏(1980一)，男，博士研究生，主要从事超高速撞击数值仿真研究．E—mail：linmin8

6、13@yahoo．crl392高压物理学报第27卷2数值仿真方案采用LS-DYNA971版本SPH算法对球型弹丸超高速撞击丝网防护屏和连续型屏进行数值模拟。弹丸材料为2017一T4铝合金，直径D一4．0mm，撞击速度一4．0km／s；丝网和连续型防护屏材料均为5A06铝合金，丝网防护屏丝径d一0．5mm，丝线间距z—1．8mm，连续型防护屏厚度h一1．0mm，本算例中，h—1．0mm的连续型防护屏与6层丝网面密度近似相同。对于弹丸和防护屏，均采用Mie—Grtineisen状态方程(EOSType4)和Johnson-Cook材料模型(MaterialType1

7、5)表征材料性能口“]。Johnson-Cook材料模型参数见表1，表1中，A为材料在准静态下的屈服强度，B和N为应变硬化的影响参数，C是应变率影响指数，M为温度软化系数，Teh为熔点，T。为室温。表1Johnson-Cook材料模型参数Table1Johnson-CokmaterialparametersMie—Grfineisen状态方程参数见表2，表中，p0为材料密度，G为剪切模量，为体积声速，S为冲击波波速和波后质点速度之间线性关系的斜率，为Groneisen参数。表2Mie-Griineisen状态方程参数Table2Mie-Griineisenequ

8、ationofstate