超高速撞击碎片云损伤建模

【摘要】： 随着人类航天事业的不断发展,空间碎片的数量不断增多,对在轨航天器构成了严重的威胁。为了保证在轨航天器的安全运行,微流星体和空间碎片的防护成为现有航天器,特别是长寿命、大尺寸航天器设计时必须考虑的因素。碎片云是空间碎片或微流星体超高速撞击防护屏的产物,使得空间碎片或微流星体对航天器的威胁变成碎片云对舱壁的威胁。为此,必须对碎片云进行建模,并计算碎片云对舱壁的损伤,从而为航天器空间碎片防护结构设计提供依据和参考。 本文结合平面激波理论,阐述了碎片云的形成机理。将AUTODYN中SPH法数值仿真的结果与实验工况进行了比较,验证了数值仿真的有效性,并对表征碎片云特性的一系列特征参数进行了分析,获得了各参数随撞击速度和厚径比变化的规律和关系曲线,并选取适当的函数形式结合实验数据对碎片云特征参数进行了拟合,得到了撞击速度和厚径比对碎片云特征参数综合影响的公式。根据实验数据和数值仿真结果,以及碎片云各特征参数的变化规律,考虑碎片云的溅射和运动规律,对球形铝弹丸正撞击铝防护屏形成的碎片云进行了系统建模。综合考虑碎片云的运动特点和数值模拟结果,建立了超高速撞击碎片云的外轮廓参数方程和速度分布模型;根据碎片云中各部分质量分布特点,建立了靶板材料的沿外泡表面均匀分布的面密度函数和内部结构的体密度函数;应用质量、动量和能量守恒定律确定碎片云模型中的引入参数。应用流体动力学的动量定理对所建碎片云模型作用于舱壁产生的影响进行了计算,并与实验结果进行比较,验证了模型的有效性,表明所建模型可以用来超高速撞击碎片云,并据此计算了舱壁损伤。