弹丸高速撞击压力容器损伤实验研究

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行。而压力容器是航天器上受微流星体及空间碎片撞击威胁最大的关键部件之一。对压力容器的高速撞击能导致其发生破裂而过早终止航天器的使命。本文的目的是通过实验研究,确定高速撞击条件下压力容器发生具有撕裂的简单穿孔和裂纹失稳破裂的界限。实验样件选择6063铝合金管焊接制成。高速撞击实验采用铝柱状弹丸和球形弹丸在3km/s左右的速度下正撞击铝压力容器,铝压力容器的压力从0～30Bar变化来探索获得不同损伤形式的压力条件。给出了铝压力容器前、后壁从穿孔到裂纹失稳破裂的实验结果。未防护充水铝压力容器的主要损伤是其前壁的裂纹失稳破裂。而防护充水铝压力容器在前璧未穿孔时未发生破裂。未防护充气压力容器在给定的实验条件下前璧未发生破裂而后璧发生破裂。防护充气压力容器在小防护间距时前璧发生破裂。     

气压对压力容器前壁超高速撞击损伤的影响

充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏,会导致气体泄漏或爆炸,内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象,开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算,分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理,讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明:前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关,内压越高,弯折程度越轻;穿孔直径与内充气体压强正相关,但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响;穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响,也与容器壁内应力波的传播有关,与内压成正比。     

铝双层板结构的前板厚度对撞击损伤影响的实验研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体和空间碎片的超高速撞击,导致其严重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重要问题。本文采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对铝双层板结构进行超高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的超高速撞击作用。实验得到了铝双层板结构在弹丸撞击速度为2.33±0.12km/s和4.36±0.10km/s两种情况时,其前板和后板的撞击损伤随前板厚度变化的规律,随着前板厚度的增加,前板穿孔直径增大,后板撞击中心的损伤减轻,后板上大弹坑由撞击中心移至外围。当撞击速度超过弹丸破碎速度时,后板上将出现弹坑密集分布区。实验结果表明,前板厚度的选取对双层板结构的撞击损伤区域会产生影响。     

低密度脆性微流星体撞击航天器防护结构损伤效应研究

采用硅酸盐质弹丸模拟低密度脆性微流星体,开展了航天器典型Whipple 防护结构撞击实验研究,获得了低密度微流星体弹丸损伤模式和损伤规律,实验表明,当弹丸撞击速度在1.1~1.4 km/s,前板损伤模式从花瓣式开裂转变为穿孔,当速度为1.4 km/s 时后板鼓包头上出现裂纹;随着弹丸速度的进一步增加,后板出现剥落现象,并形成花瓣撕裂,当弹丸撞击速度达到1.95 km/s 时后板被击穿,导致防护结构受到破坏.     

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。     

泡沫铝夹层结构抗冲击性能的近场动力学模拟分析

针对某光学舱所采用的泡沫铝夹层防护结构在破片冲击下的抗冲击性能问题,采用Monte-Carlo方法创建了泡沫铝结构的二维细观模型,在常规态型近场动力学理论中引入了Mises屈服准则和线性各向同性强化模型,建立了近场动力学塑性本构的数值计算框架。基于近场动力学计算程序模拟了低速冲击作用下泡沫铝夹层结构的塑性变形以及有机玻璃背板的裂纹扩展形态,分析了泡沫铝芯材孔隙率对该夹层结构抗冲击性能和损伤模式的影响规律。结果表明：泡沫铝夹层结构良好的塑性变形能力是其发挥缓冲与防护作用的主要因素,并且在一定范围内,泡沫铝芯材孔隙率越高,则夹层结构具有更好的抗冲击性能;当泡沫铝孔隙率从0.4提升到0.7时,泡沫铝对冲击物的动能吸收率从90%提高到99%;模拟结果与实验结果具有较好的一致性,验证了模拟结果的准确性和分析结论的有效性。通过数值模拟,预测了有机玻璃背板的裂纹扩展形态,发现提高泡沫铝的孔隙率能获得更好的防护效果。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理

在爆生气体作用下 ,爆破近区的裂纹在气体驱动压力下扩展 ,而爆破中区的裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力共同作用下发生的。基于岩石细观损伤断裂理论 ,认为裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到周围岩石的逐渐损伤引起的损伤区移动过程 ;建立了这两个区域的损伤断裂准则和裂纹尖端的损伤局部化模型 ,可以更好地反映爆生气体作用下裂纹扩展的实际过程。     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

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.     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

防护板尺寸对Whipple防护结构撞击损伤影响的实验研究

通过高速撞击实验,探讨了采用小尺寸防护板的可行性。实验中采用的Whipple结构由尺寸变化的1 mm厚防护板（前板）和尺寸固定的3 mm厚舱壁板（后板）组成,防护板与舱壁板间隔10 cm。防护板为边长分别为8、12、16和20 cm的方形2A12铝合金板,舱壁板为边长为20 cm的方形5A06铝合金板。实验过程中均采用直径为4 mm的铝合金球形弹丸,撞击速度为1.45~1.71 km/s。实验结果表明:Whipple防护结构在舱壁板被击穿的概率大于0.8的条件下和击穿概率为0的条件下的极限速度以及舱壁板临界击穿条件下的速度都与防护板尺寸无关;并且,防护板前后表面击穿孔的直径及击穿孔侧壁的倾斜角也与防护板尺寸无关;但是,在速度相同的条件下随着板尺寸的增大,防护板板面的最大挠度增大,而且,防护板挠曲面的凸凹方向也由单一的凹向变成凸凹方向交替出现;随着速度的增加和板尺寸的增大,防护板最大挠度的增量减小。     

石英玻璃杆Taylor撞击实验的数值模拟

采用离散元方法模拟石英玻璃杆Taylor撞击问题,再现了其破坏过程:在撞击端,杆以压缩失效波的形式破坏;在自由端,出现了密集的拉伸层裂破坏. 分析表明:层裂是失效波阵面应力快速下降引起的追赶卸载波,与弹性压缩前驱波在自由端反射引起的迎面卸载波相互作用的结果;随着撞击速度的增大,撞击端失效波造成的压缩破坏区域损伤程度增大,反射端层裂破坏损伤区域减小. 进一步对失效波阵面的结构变化及其波速问题进行了研究,发现失效区域随着扩张变成一段裂纹逐渐由密到稀的区段,将此区段分为高损伤区和低损伤区,研究发现由稀疏微裂纹组成的低损伤区的前端面传播速度和弹性前驱波速基本相同,为固定值;而高损伤区前端面的裂纹密度随着传播距离的增加变稀,直至过渡为低损伤区,其传播具有显著的速度衰减、端面模糊直至停止的过程. 高损伤前端面的平均速度随着撞击速度的增大而增大,并逐渐趋近于弹性波速. 最后与已有实验做了对比,发现实验中高速摄影观察到的玻璃中"失效波"阵面实际上是高损伤前端面,而稀疏的低损伤微裂纹很难捕捉.      

超高速撞击动力学及航天器防护研究进展

概述了超高速撞击动力学的国内外研究背景;从超高速撞击厚板成坑、中厚板侵彻、薄板形成碎片 云、模拟实验技术和数值模拟技术5个方面总结了超高速撞击动力学的研究进展情况;分析 了超高速撞击对航天器的毁伤效应;给出了航天器的防护要求;讨论了航天器防护结构的方 案设计和性能表征. 为超高速撞击动力学和航天器防护研究提供技术参考.     

THE PERFORATION PARAMETER OPTIMIZATION FOR MULTI FRACTURE INITIATION IN HYDRAULIC FRACTURING

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题, 结合岩体力学与损伤力学相关理论, 建立了近井筒地层流固——损伤力学模型, 采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态, 计算表明:初始地应力最小值越小, 地层的起裂压力越低;射孔方位角越小, 起裂压力越低. 随着射孔方位角增大, 近井筒微裂缝为45° 夹角的拐折裂缝, 起裂压力增大, 基于此, 对于正断层及顺滑断层地应力类型, 取射孔方位角小于30°, 螺旋射孔夹角30°或45°, 对于逆断层地应力类型, 螺旋射孔夹角取45°, 可有效地实现多裂缝起裂.