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基于物质点法对TC4合金超高速碰撞的数值模拟研究

徐超群  
【摘要】:目前,航天技术取得了快速发展和辉煌成就,越来越多的航天飞行器和人造卫星被发射到太空。与此同时在地球轨道上存留了非常多的空间碎片,它们与航天器的平均碰撞速度可以达到10km/s,而且这些碎片的数量在不断增长,已经威胁到人类正常的航天活动。为了降低这些空间碎片的威胁,人们对超高速碰撞的研究越来越重视。相对于实验室的碰撞试验方法,计算机数值模拟方法具有简单、形象和完整观察等优势,因而在超高速碰撞的研究中被普遍采用。 物质点法是一种新的数值模拟方法,它使拉格朗日方法与欧拉方法的优势得以很好的发挥,避免了欧拉方法在非线性对流项的处理及跟踪材料界面的困难,且突破了拉格朗日方法在网格畸变方面引起的数值困难。这些都说明了在超高速碰撞的情况下,物质点法能很好的模拟和研究极大变形的问题。 钛合金是非常重要的航天材料,其中TC4材料是一种非常典型的航天材料。在介绍了TC4材料的一些物理化学特性和应用背景之后,根据实际情况,本文应用二维和三维的物质点法程序,选用航空材料TC4合金,模拟了球形弹丸和柱形弹丸以7000m/s的超高速度碰撞单层板和双层板的模型,得到了弹丸穿孔以及碎片云形成的过程,并且得到了碎片云尖端粒子的速度。这些模拟数据可为飞行器的总体设计、材料选取和防护结构等方面提供参考,可为以后研究TC4合金在超高速撞击方面提供理论依据。


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