超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

超高速撞击数值仿真结果分析

为了分析超高速撞击过程的宏观现象和内在机理,对9.53 mm铝球以6.64 km/s的速度撞击2.2 mm厚的铝靶的SPH仿真结果进行了量化分析。结果表明:采用SPH方法以及Steinberg弹塑性模型和Mie-Grneisen状态方程,可获得与试验相符的仿真结果;球形破片开坑或穿孔直径遵循初始快速增加、然后缓慢增加,直至稳定的变化规律;破片/靶板界面的最大撞击压力比材料强度大两个量级以上;靶板阻抗力最大值发生在破片最大直径侵入靶板时刻;碎片云的运动过程具有自相似演化特征,其运动范围不会超出碎片云的包络圆锥范围。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics，SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块，考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果，发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符；相比于Grady失效模型，最大拉应力失效模型下材料更难失效，将小幅度减弱碎片云扩散程度，碎片总数减少，粒子聚集产生更大碎片，碎片云侵彻性能提高，增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言，Grady失效模型计算结果更符合实验，但2种失效模型间差异与撞击工况相关，材料破碎越充分差异越小。     

超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究，并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术，提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果，然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段，对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合，实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例，模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性，以及计算速度的高效性。实验证明，深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律，然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值；并且可以在训练数据集控制参数范围外，进行小范围推理预测；同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型，可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段，实现碎片云实时生成的潜在方案。     

基于深度学习的超高速碰撞碎片云生成模型

数据驱动的模型已经被广泛研究，并成功应用到了计算力学。基于深度学习技术，提出一种新的采用数据驱动的碎片云生成模型。此模型可以学习SPH数值模拟结果，然后在多种控制条件下快速生成碎片云。在模型训练前的数据预处理阶段，对SPH模拟结果进行空间网格划分和质量聚合，实现了改善数据分布规律、加速模型训练和提升模型泛化性的目的。以高速靶球撞击薄壁圆筒后的碎片云质量分布为例，模拟并测试了多种控制条件下深度学习模型计算结果的正确性和稳定性，以及计算速度的高效性。实验证明，深度学习模型可以从训练集学习碎片云的物理规律，然后在训练集控制参数范围内进行良好的推理及插值；并且可以在训练数据集控制参数范围外，进行小范围推理预测；同时深度学习模型的计算速度远快于SPH方法。通过深度学习方法建立碎片云模型，可能是一种在空间飞行器防护结构原型设计阶段，实现碎片云实时生成的潜在方案。     

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体，在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟，得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布，并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比，结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究，分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性，计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

微流星体撞击航天器防护结构的模拟实验

采用火山岩模拟低密度脆性微流星体材料,对航天器典型Whipple防护结构进行高速撞击试验.试验表明,火山岩弹丸在后板的损伤中,主要体现在其能量的集中性上,后板的损伤随着弹丸速度增加而增加,前板的碎片也是后板损伤的重要因素,其形成的坑比火山岩碎片云的大和深.     

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

球形弹丸正撞击碎片云头部形状的辨识

为了辨识碎片云头部形状，提出了对其形状进行边缘提取、利用二次函数进行边缘最优拟合、并根据拟合结果作出判断的方法。给出了二次函数对边缘的最优拟合算法。对来自不同文献的4幅碎片云图像，提取了他们头部的边缘曲线，进行了最优拟合和形状辨识。辨识结果显示，3幅图像的头部形状为抛物线，1幅图像的头部形状为椭圆。辨识结果表明，至少有一部分碎片云的头部形状是旋转抛物面, 而不是椭球面。     

动能杆斜撞击靶板后效破片描述研究

针对动能杆式弹大倾角斜撞击靶板产生的靶后破片,建立了其初始破片云数学描述模型,并在此基础上对斜撞击靶后破片特征分布进行了建模。仿真结果与工程试验结果的比较表明,该模型具有较高的可信度。     

磨西河流域泥石流流域形态的非线性特征

泥石流是磨西河流域地质环境演化的一个重要地表过程,研究该流域内泥石流的地貌发育及演化特征可为磨西河流域第四纪以来地质环境的演变提供重要信息。通过对流域51条泥石流沟地貌形态的统计分析发现,磨西河流域内泥石流的分布在空间上表现出明显的不均性,流域内泥石流沟的数量与对应的主沟长度、主沟纵比降及流域面积之间存在着明显的分形现象,具有较高的自相似性。结果表明,泥石流沟谷形态的非线性演化特征及现象是对磨西河流域冰川环境和地质构造环境响应的直接结果,主要体现在现代冰川对流域的强烈侵蚀和贡嘎山隆升而导致流域的强烈下切。研究结果可为流域内泥石流灾害的形成机理、防灾减灾及流域环境演化提供理论依据。