空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究

 针对空间碎片超高速撞击充气压力容器问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,采用SPH方法对碎片云在高压气体中的运动特性进行了数值模拟研究。在建模过程中,分析比较了材料状态方程对数值模拟结果的影响,并通过与实验结果的比较,选取了适合该问题的状态方程,验证了数值模拟方法的有效性。结果表明：由于容器内压气体的存在,碎片云运动发生减速,并且碎片云的轴向扩展速度相对于碎片云的径向扩展速度减速较慢;高速撞击产生的碎片云与容器内的高压气体发生了强烈的相互作用,碎片云尖端产生的钉状物及高压气体中产生的冲击波是控制容器在撞击后发生进一步破坏的两个重要因素。     

基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取

为了通过超高速撞击声发射信号识别蜂窝结构受空间碎片撞击后的损伤状态,提出一种基于小波的损伤特征提取方法。采用超高速撞击声发射技术,以铝合金蜂窝板为研究对象,通过超高速撞击实验获取实验信号。分析超高速撞击声发射信号的时频特征及板波模态等特征,采用Daubechies小波变换将信号中模态分离,根据小波系数计算各尺度小波能量分数及小波能量熵特征,分析各特征参数与损伤间的关系,并通过Kruskal-Wallis检验方法验证各特征值对损伤识别的贡献。结果表明:小波能量分数和小波能量熵具有一定的损伤模式分类能力;250 kHz以上的小波能量分数具有良好的损伤模式分类能力;非超声部分的低频信号对损伤识别存在干扰。     

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。     

不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能实验研究

 通过对铝Whipple防护结构进行扩展变形,设计出不锈钢网/铝板组合多冲击防护屏,并利用二级轻气炮对其进行高速撞击实验,撞击速度为3.93~4.25 km/s,弹丸直径为6.35 mm。分析了不同规格不锈钢网、不同间距组合以及网格间结膜对不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的影响。结果表明：不锈钢网位于防护屏的最后层有利于碎片云的扩散;不锈钢网位于防护屏最前层不利于撞击粒子的初次破碎;丝网几何参数、防护层间距组合是提高不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的重要参数;网格间结膜有助于弹丸撞击动能的吸收。     

弹丸形状对超高速撞击厚合金铝靶成坑影响的数值模拟

采用AUTODYN软件进行了弹丸形状对超高速正撞击厚合金铝靶成坑过程影响的数值模拟。给出了二维及三维模拟的结果。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厚合金铝靶所产生弹坑的损伤特性尺寸和成坑形状的影响,并与球形弹丸撞击所产生的坑进行了比较。结果表明：弹丸的长径比越大,弹丸的撞击成坑深度越大;非球弹丸的形状和撞击方向不同,成坑的形状和损伤的特征尺寸是不同的。     

第一门槛值区间单防护屏防护正撞击实验研究

微流星及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文级出和分析了柱状弹丸在第一门槛值速度区间正撞击铝合金单防护屏防护结构实验研究的结果。结果表明：单防护屏防护结构在此速度区间受柱状弹丸正撞击其损伤是比较严重的,并得到了柱状弹丸撞击防护结构损伤的特点和规律。     

JH-2模型及其在Al2O3陶瓷低速撞击数值模拟中的应用

利用现有文献数据以及实验与数值模拟结合的方法得到了Al2O3陶瓷的Johnson-HolmquistⅡ (JH2)本构模型参数,并且基于这种含损伤的动态本构模型,采用LS-DYNA 显式有限元软件对Al2O3陶瓷 在低速撞击下的破碎过程进行了数值模拟,再现了试件的损伤演化与动态破碎过程。结果表明,Al2O3陶瓷 在冲击载荷作用下,主要呈轴向劈裂状破坏;随着输入压缩波加载时间的减小,试件的破碎程度加剧;利用 JH-2模型对Al2O3陶瓷在SHPB实验中的动态损伤演化过程的模拟结果与实验回收试件的破碎模式基本一 致,从而验证了JH-2模型在模拟低速撞击下陶瓷动态破碎过程的有效性和可行性。     

弹丸超高速撞击航天器典型防护结构数值仿真

选用铝和火山岩两种材料的弹丸,对航天器典型Whipple防护结构进行超高速撞击数值仿真计算.结果表明在弹丸质量和速度相同的情况下,铝弹丸撞击航天器防护结构的损伤效应要远远大于火山岩弹丸撞击的损伤,这是由弹丸材料特性决定的.     

超高速撞击玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构研究

利用二级轻气炮对玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。以Nextel/Kevlar撞击极限曲线为参照,分析了双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能、填充材料及舱壁的损伤情况。实验表明：双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区都具有优良的防护性能。此外,通过涂环氧树脂胶改善了玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区的防护性能。Kevlar纤维丝在低速区主要依靠塑性变形及断裂吸收弹丸的动能,玄武岩纤维丝在高速区主要依靠脆性断裂及高温碳化将弹丸破碎或融化为更小的碎片或熔球,减轻了对舱壁的损伤。玄武岩及Kevlar纤维丝在高速区存在高温熔化及碳化现象。     

球形弹丸超高速正撞击薄板破碎状态实验研究

利用闪光X射线照相系统拍摄了直径6.35 mm的铝球以2.23～5.26 km/s的速度正撞击薄铝板的过程并对该过程进行了分析,研究了弹丸从塑性变形到完全破碎的发展过程。给出了球形弹丸内部应力波传播的定性描述,提出弹丸形态变化包括3个阶段。在塑性变形阶段,弹丸变形随撞击速度和板厚的增大而增大;弹丸主体部分发生临界破碎时的撞击速度随薄板厚度增大而减小,当板厚超过一定值时,该速度基本相同,不受板厚影响;在完全破碎阶段,随撞击速度的增加,弹丸主体部分材料的径向速度增大,碎片尺寸减小,数量增多。