Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究.pdf

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1、第30卷第6期航天器环境工程2013年12月SPACECRAFTENVIR0NMENTENGINEERINGAI／Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究侯明强，-，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，北京1000943．中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094)摘要：丈章采用数值仿真方法研究了A1／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，并与弹丸撞击铝合金靶的

2、结果进行了比较。研究结果表明，相对于铝合金材料，A1／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：0313．4：V520．7文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)06-0581—05DoI：10．3969~．issn．1673—1379．2013．06．0030引言入了解阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应

3、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AI／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lJ之J，如多层梯度材料的超高速撞击机理。冲击防护结构、铝网双层防护结构]、蜂窝夹层板防护结构【7J、

4、填充Whipple防护结构_8]和泡沫1计算模型铝防护结构¨。阻抗梯度材料在超高速撞击防护仿真计算所取的撞击靶板材料采用AI／Mg阻抗领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。靶板和弹丸参击特性进行了一定的研究。Huang等L12J研究了铁基数详见表1。非晶合金／铝合金复合材料的撞击特性，Tamura等L1_jJ表1靶板和弹丸的参数Table1Parametersoftargetsandprojectile研究了碳化硅纤维

5、／铝合金复合材料的撞击特性，均撞击模型靶板材料靶板厚度／弹丸材料弹丸直径／证实了阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。Guon1mmm等[14-15]研究了TiB，／2024A1和钛合金网强化的铝合Al弹丸Al靶Al2024一T41．5Al2024一T410．0金复合材料的微观损伤特性。然而上述这些研究尚Al弹丸一Al2024一T4／0．8／1．1Al2024A1／M一T410．0未涉及阻抗梯度材料的超高速撞击机理。g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Griineisen状态

6、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(1984一)，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(1964一)，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。第6期侯明强等：A1／Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究可以看出，冲击波在

7、A1／Mg靶板中的持续时冲的持续时间反常的原因。间比在Al靶板中的持续时问分别延长了12．O％、126．2％、23．4％和41．2％。2．2靶板中峰值压力脉冲的持续时间和比冲量峰值压力脉冲即图2(a)和图2(b)中的黑色曲线，代表了弹丸撞击靶板在界面处的压力传播历史。压力脉冲持续的时间为从压力增加的初始时刻到压力衰减的最终时刻。时I~]／ms在3．0~7．0km／s的撞击速度范围内，Al靶板和图4撞击速度为7．0km／s时的A1弹丸一Al靶板AI／Mg靶板中产生的峰值压力脉冲的持续时间如图3撞击中的峰值压力脉冲持续时间Fig．4D

8、urationofpeakpressurepulseforA1一AIimpact所示。可以看出：A1靶板中产生的峰值压力脉冲modelatimpactvelocityof7．0km／s的持续时间在110．6～159．1ns之间，并随着撞击速以上分析