铝球弹丸超高速斜撞击薄铝板特性研究

 利用2017铝合金球形弹丸超高速斜撞击2A12铝合金薄板，模拟空间碎片对航天器防护屏的超高速撞击作用。分析了铝合金薄板超高速斜撞击穿孔特性与弹丸滑弹返溅特性，建立了铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板的穿孔经验公式。弹丸撞击速度分别为2.58、3.56和4.31 km/s，撞击角度为10°~80°。实验结果表明：铝合金薄板超高速斜撞击椭圆穿孔尺寸与撞击速度和撞击角度有关，直径为3.97 mm的铝合金球形弹丸超高速斜撞击厚度为1 mm的铝合金薄板时，发生滑弹返溅的临界撞击角在30°~40°之间。最大滑弹返溅角随着撞击角的增大而逐渐减小，此时滑弹返溅碎片云的影响范围缩小，但破坏能力增强。弹丸撞击速度对铝合金薄板超高速斜撞击穿孔的椭圆度影响较小。     

玄武岩纤维布/铝板组合防护结构的高速撞击防护性能

在弹道段撞击速度范围内,针对玄武岩纤维布/铝板组合防护结构开展了高速撞击实验(实验使用的2017铝球弹丸的直径为3.97 mm,撞击速度为1.49~3.65 km/s),获得了防护结构的弹道极限速度,分析了铝球弹丸高速击穿玄武岩纤维布和铝板后的剩余速度。基于单层铝板发生穿孔失效时的临界撞击动能,研究了玄武岩纤维布/铝板组合防护结构的高速撞击防护性能。结果表明:当弹丸未破碎时,相同直径的铝球弹丸以不同速度击穿相同面密度的玄武岩纤维布后的速度减小量近似为常数;铝球弹丸直径越大,弹丸击穿相同面密度的玄武岩纤维布后的速度减小量越小;在防护结构面密度相同的情况下,铝板前置的玄武岩纤维布/铝板组合防护结构比玄武岩纤维布前置的组合防护结构具有更好的高速撞击防护性能。     

锥形弹丸超高速撞击防护屏的碎片云特性参数研究

空间碎片在撞击航天器防护结构时会产生碎片云,而碎片云又将对航天器造成二次损伤,因此很有必要针对不同形状的空间碎片超高速撞击产生的二次碎片云特性进行研究。选取航空材料Al 2017-T4、Al 2A12作为弹丸和防护屏材料,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D结合光滑质点流体动力学方法,对不同长径比的锥形弹丸分别以锥底和锥尖超高速正撞击单层防护屏薄板所产生的碎片云特性进行数值模拟,得到了碎片云的前端轴向速度、径向直径、轴向长度及穿孔直径等特性参数随弹丸撞击部位及长径比变化的规律。     

铝弹丸超高速撞击防护结构的研究进展

以空间碎片防护为背景,回顾了超高速铝弹丸正撞击单层和双层铝合金防护结构的研究进展,讨论了目前针对超高速撞击的弹丸发射技术和数值模拟方法(如Euler方法、无网格方法等)的优缺点。数值模拟不仅建立在离散方法上,还需要提供准确的材料本构模型和状态方程。介绍了常用材料模型(包括Johnson-Cook、Steinberg-Guinan模型)和状态方程(包括Tillotson、ANEOS、SESAME、GRAY三相状态方程)。基于实验和数值模拟,目前对7 km/s以下的超高速撞击物理过程已经认识得比较清楚。对单层板,重点讨论了板的穿孔特征和孔径模型;对双层板,除了前板的穿孔外,还讨论了碎片云的分布特征、材料相变、碎片云的相态分布、弹丸形状的影响、碎片云的散布模型以及碎片云对后板造成的破坏特征。最后介绍了工程防护中较为重要的防护结构的弹道极限方程。单层板和双层板的弹道极限方程研究近年来取得了较大进展。本文回顾了国内外常用的弹道极限方程以及近年来新提出的理论模型和基于人工神经网络的模型等。     

铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板的损伤特性

 为了研究空间碎片对航天器防护结构的高速斜撞击损伤特性,采用二级轻气炮发射铝球弹丸,对铝Whipple防护结构进行高速斜撞击实验。弹丸直径为3.97 mm,撞击速度为1.14～5.35 km/s,撞击角度为0°～70°。实验得到了铝Whipple防护结构在不同撞击速度区间的后板损伤模式,分析了后板撞击损伤及弹坑分布特性,建立了预测铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板弹坑分布的经验公式。结果表明：在大角度斜撞击条件下,对于一定的撞击速度,铝Whipple防护结构的后板弹坑分布会出现两个区域;弹丸的撞击破碎临界速度将影响后板损伤随撞击角的变化关系;对于铝Whipple防护结构,存在使后板撞击损伤最严重的临界撞击角。     

碎片云动量特性数值仿真研究

 铝合金球形弹丸高速撞击薄铝板时,会造成薄铝板穿孔并自身发生破碎,在铝板前后两侧产生碎片云,分别为反溅碎片云和穿透碎片云。反溅碎片云及穿透碎片云具有各自的动量特性,对其动量特性的研究有助于为碎片云理论建模提供依据。采用AUTODYN V6.0软件对直径为6.35 mm的Al 1100-O球形弹丸高速正撞击6种厚度的Al 6061-T6薄板进行了数值仿真计算,撞击速度为1.0～5.0 km/s。得到上述两种碎片云的动量,确定了动量值随撞击速度v及薄板厚度δ的变化规律。同时,利用仿真得到的动量数据,采用多元回归方法,分别建立了两种碎片云动量模型。最后,对美国国家航空航天局（NASA）报告给出的7种工况下的撞击实验进行了数值仿真计算,并将动量值与实验结果进行了比较,得到的比较结果可用以分析数值仿真的有效性。     

玄武岩纤维布超高速撞击损伤分析

 在航天器空间碎片超高速撞击防护领域中,采用高技术纤维作为防护材料是当今防护结构发展的趋势之一,玄武岩纤维（Basalt Fiber）是近年来受到关注的一种高强度纤维。对玄武岩纤维织物受铝合金弹丸超高速撞击时的宏观穿孔损伤特性和细观纤维丝断裂损伤特性进行了分析研究,观察到了冲击高压造成的材料熔化现象,根据实验结果拟合得到了玄武岩纤维布撞击孔的孔径方程,根据纤维丝断口形貌分析了纤维丝的断裂原因。研究结果可为玄武岩纤维材料在空间碎片防护结构中的应用提供有益参考。     

基于特征长度的非球形弹丸超高速撞击碎片云特性研究

 根据ORDEM2000模型和卫星标准解体模型（SBM）,确定空间中真实空间碎片的典型形状和撞击姿态。利用AUTODYN仿真软件,基于碎片特征长度,对立方体、方形薄片超高速撞击产生的碎片云进行三维数值模拟,从形状、质量分布、速度分布与能量分布深入分析碎片云特性,并与通用的球形标准弹丸进行比对。结果表明：弹丸形状及撞击姿态对碎片云特性有显著影响,立方体和方形薄片弹丸角撞击时产生的毁伤能力最大,而球形弹丸最小。因此,基于标准球形弹丸获得的弹道极限方程低估了航天器遭受空间碎片撞击损伤的风险,而基于真实碎片特征长度的弹丸形状效应研究将对现行的球形弹丸弹道极限方程（或曲线）做出更合理的修正。     

铝网防护结构高速正撞击防护性能的实验研究

利用二级轻气炮发射2017-T4铝球弹丸,高速正撞击5052铝网防护结构,模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用,研究了铝网防护结构的高速撞击防护特性。在面密度相同的情况下,分析了影响铝网填充防护结构高速撞击防护性能的铝网尺寸效应及组合效应。实验撞击速度为2.90~4.95km/s,弹丸直径分别为3.97和6.35mm,撞击角为0°。实验结果表明:厚度为0.5mm的2A12铝板对高速撞击铝球的初次破碎能力优于相同面密度的5052铝网层,但作为填充介质,5052铝网层比2A12铝板具有更好的保护后板作用;在一定的丝径范围内,丝径越小,撞击防护效果越好;前网后板填充层比前板后网填充层具有更好的均匀破碎效果。     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻与穿透的理论研究

 研究了锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻和穿透性能，在局部化破坏模式假定的基础上改进了Wen提出的能量简化分析模型。改进模型仍假设弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力由靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力和速度效应引起的动阻力两部分组成，认为侵彻过程中靶体对弹体的阻力不再是一个常数，而是侵彻速度的函数。并由此推导出了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的侵彻深度、残余速度和弹道极限速度的公式。理论预测与实验结果符合得很好。     

Effect of the Al/O ratio on the Al reaction of aluminized RDX-based explosives

Aluminum(Al) powders are used in composite explosives as a typical reducing agent for improving explosion performance. To understand energy release of aluminum in aluminized RDX-based explosives, a series of thermal measurements and underwater explosion(UNDEX) experiments were conducted. Lithium fluoride(LiF) was added in RDX-based explosives, as a replacement of aluminum, and used in constant temperature calorimeter experiments and UNDEXs. The influence of aluminum powder on explosion heat(Qv) was measured. A rich supply of data about aluminum energy release rate was gained. There are other oxides(CO_2, CO, and H_2O) in detonation products besides alumina when the content of RDX is maintained at the same levels. Aluminum cannot fully combine with oxygen in the detonation products. To study the relationship between the explosive formulation and energy release, pressure and impulse signals in underwater experiments were recorded and analyzed after charges were initiated underwater. The shock wave energy(Esk), bubble energy(Eb), and total energy(Et) monotony increase with the Al/O ratio, while the growth rates of the shock wave energy,bubble energy, and total energy become slow.     

水下爆炸冲击波在含吸收层结构中的传播规律的数值模拟

 利用ANSYS/LS-DYNA软件,对水下爆炸冲击波在含有吸收层的多层结构中的传播规律进行了数值模拟。结果表明：冲击波在吸收层中的衰减是由泡沫材料自身的本构引起的;在含泡沫材料吸收层的结构中峰值压力仅为不含吸收层的14%,冲击波传播波形发生改变;在含有泡沫混凝土的多层结构中应力波峰值的下降幅度比含泡沫铝的大,但冲击波传播波形的变化不是很明显;泡沫混凝土中的总能量大于泡沫铝中的总能量,因此泡沫混凝土作为防护吸收层要优于泡沫铝。     

Theoretical study on the improvement of the doping efficiency of Al in 4H-SiC by co-doping group-IVB elements

The p-type doping efficiency of 4H silicon carbide (4H-SiC) is rather low due to the large ionization energies of p-type dopants. Such an issue impedes the exploration of the full advantage of 4H-SiC for semiconductor devices. In this study, we show that co-doping group-IVB elements effectively decreases the ionization energy of the most widely used p-type dopant, i.e., aluminum (Al), through the defect-level repulsion between the energy levels of group-IVB elements and that of Al in 4H-SiC. Among group-IVB elements Ti has the most prominent effectiveness. Ti decreases the ionization energy of Al by nearly 50%, leading to a value as low as ~0.13 eV. As a result, the ionization rate of Al with Ti co-doping is up to ~5 times larger than that without co-doping at room temperature when the doping concentration is up to 10¹⁸ cm^-3. This work may encourage the experimental co-doping of group-IVB elements such as Ti and Al to significantly improve the p-type doping efficiency of 4H-SiC.     

拐角空间中悬浮铝粉尘爆轰后效的三维数值模拟

建立三维的铝粉-空气两相爆轰计算模型，采用时-空守恒元解元（CE/SE）方法求解，并开发了悬浮铝粉尘爆轰的三维数值模拟程序.基于消息传递接口（MPI）技术实现了程序的并行化设计.通过对激波管问题以及爆轰管中铝粉-空气两相爆轰实验的模拟验证程序的可靠性.对拐角空间中左侧浓度为368 g·m^-3的铝粉-空气混合物两相爆轰及其在拐角空间右侧和下方空气域内形成的冲击波和温压效应开展数值模拟，获得复杂空间内爆轰波或冲击波的传播、反射以及绕射过程.结果表明：两相爆轰在离铝粉尘区域2 m远的空气域内产生的后效冲击波能达到2.66 MPa的固壁反射压力，火球燃烧范围会超出初始铝粉尘区域约0.8 m，并且造成初始铝粉尘区域附近1.5 m范围内空气的温度高达1 600 K.模拟程序可用于铝粉尘爆轰的后效研究，对工业安全及其防护具有指导意义.     

热物性参量对飞秒激光烧蚀金属影响的分子动力学模拟

利用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与金属相互作用的烧蚀机制.采用中心波长为800 nm,能量密度从0.043 J·cm~(-2)到0.40 J·cm~(-2)不等,脉宽分别为70 fs和200 fs的激光烧蚀金属镍和铝材料.靶材的温度、原子位型以及内部压力随时间的演化展示了材料热物性参量特性和激光参量对烧蚀结果的影响.结果显示材料电子热传导率对飞秒脉宽激光下的影响仍然较大;对比铝和镍的结果可知,铝的电子晶格耦合系数比镍的小,故电子晶格间的温度梯度持续时间较长;铝的电子热传导系数比镍的大,所以材料上下表面电子温度耦合的时间缩短.铝薄膜表面在能量密度为0.40 J·cm~(-2)激光烧蚀下呈现纳米尺寸的晶体结构.     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及速度效应引起的动阻力两部分组成,认为侵彻过程中靶体对弹体的静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

Shock waves in laser-pulse-irradiated metals

In an earlier paper [1] the temperature as a function of time and distance from the surface of a metal after the application of a laser pulse had been calculated. The assumption was made that only heat conduction is responsible for the dissipation of energy provided that the input fluence of the laser pulse is below the threshold for ablation. In this investigation an estimate for the pressure in the shock wave as a function of time and distance is presented. The assumption mentioned above is valid up to an input fluence of about φ=10 mJ/cm². For larger fluences (but below the ablation threshold) a correction for the dissipation of acoustic energy must be applied. The effect of surface evaporation on T_max and p_max of metals with high melting point is discussed. With fast pulses and/or relatively low velocities of sound, maximum pressures p_max of the shock wave are calculated which are higher than the corresponding stationary values (see (4)). Received: 27 April 2000 / Final version: 6 June 2000 / Accepted: 8 June 2000 / Published online: 13 September 2000     

Direct numerical simulation of shock/turbulent boundary layer interaction in a supersonic compression ramp

A direct numerical simulation of the shock/turbulent boundary layer interaction flow in a supersonic 24-degree compression ramp is conducted with the free stream Mach number 2.9.The blow-and-suction disturbance in the upstream wall boundary is used to trigger the transition.Both the mean wall pressure and the velocity profiles agree with those of the experimental data,which validates the simulation.The turbulent kinetic energy budget in the separation region is analyzed.Results show that the turbulent production term increases fast in the separation region,while the turbulent dissipation term reaches its peak in the near-wall region.The turbulent transport term contributes to the balance of the turbulent conduction and turbulent dissipation.Based on the analysis of instantaneous pressure in the downstream region of the mean shock and that in the separation bubble,the authors suggest that the low frequency oscillation of the shock is not caused by the upstream turbulent disturbance,but rather the instability of separation bubble.     

自由电子气冲击压缩特性的理论计算

用自由电子气模型对自由电子气(费米能为5 eV)的冲击压缩雨贡纽曲线、冲击温度进行了数值计算.冲击压力、内能和冲击温度被计算为压缩度的函数.计算结果表明,自由电子气(费米能为5eV)的冲击压缩极限近似为初始密度的4倍.