收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

弹丸超高速撞击薄板碎片云建模研究

迟润强  
【摘要】: 随着空间碎片日益增多,其超高速撞击对航天器特别是载人航天器在轨安全运行构成的威胁越来越严重。在航天器舱壁外间隔一定距离安装一层或多层薄板防护屏可以破碎空间碎片,分散其撞击能量,从而有效保护航天器的安全。铝合金薄板被广泛用来制作防护屏,直接承受空间碎片的撞击。 空间碎片穿透薄板防护屏后破碎形成的碎片云的特性直接影响后板(舱壁或后继防护屏)的撞击损伤效果,因此,对超高速撞击碎片云进行研究是航天器空间碎片防护结构设计与开发的一个重要技术基础。迄今,对碎片云形成过程的定量研究尚比较缺乏;另外,多数已有的碎片云模型只适合描述相对较高撞击速度范围内产生的碎片云,其中撞击体的破碎程度较高。 基于以上背景,本文针对处于相对较低撞击速度范围内的薄板超高速撞击现象(弹丸经历从塑性变形到完全破碎的过程,且所有材料均保持为固体状态),重点研究铝合金球形弹丸超高速正撞击铝合金薄板后撞击体的破碎过程、碎片云的形成过程、碎片云的组成结构与形态特点、碎片云的速度与质量特性、弹丸破碎特性、超高速撞击过程中的能量特性等,最终建立一个碎片云模型。本文的研究范围为:v0(撞击速度)介于2.00km/s与5.00km/s之间;t/D(薄板厚度与弹丸直径之比)介于0.032与0.315之间。 首先,应用二级轻气炮加载技术进行了弹丸超高速正撞击薄板实验研究,利用闪光X射线照相设备获取了碎片云图像,并在薄板后面放置观察板记录碎片云撞击造成的损伤。弹丸直径为6.35mm,薄板厚度介于0.50mm~2.00mm,撞击速度介于2.23km/s~5.26km/s。为了弥补实验手段在实验数量方面的不足并深入了解超高速撞击过程与机理,采用SPH算法进行了大量超高速撞击数值模拟研究,获取了碎片云多种特性的数据。通过比较数值模拟与实验两种手段得到的碎片云形态及特征点速度,发现二者结果吻合较好,验证了数值模拟手段的有效性。 第二,基于前人的研究成果,介绍了超高速撞击过程中弹丸与薄板内应力波的传播与相互作用规律以及撞击体材料的破碎机理,并利用实验与数值模拟结果进行了验证。根据实验观察结果,提出关于弹丸材料发生破碎与形成碎片云的临界问题;借助数值模拟手段,建立了上述现象发生时的临界撞击条件表达式,并描述了碎片云的形成过程。通过数值模拟分析,发现了薄板前表面材料发生破碎与产生反溅两种过程的差别,解释了其原因,并建立了相应临界撞击条件表达式。基于碎片云图像与观察板损伤实验结果分析,定义了不同撞击条件下碎片云的组成结构,总结并描述了碎片云的形态特点,确定了观察板损伤与碎片云的对应关系。 第三,根据碎片云形态特点,在碎片云上定义了4个能够表征碎片云形态特点的特征点;借助数值模拟研究结果,分析了所有特征点速度随撞击条件(v0、t/D)的变化规律,建立了特征点的归一化速度与撞击条件的定量关系式。综合利用理论分析、实验研究与数值模拟手段,提出了碎片云各组成部分的质量计算模型。基于数值模拟结果,建立了超高速撞击过程中能量耗散与撞击条件的定量关系。借助超高速撞击实验中获得的观察板损伤数据,分析了最大碎片尺寸等弹丸破碎程度表征量随撞击条件的变化规律,并讨论了主体碎片云质量分布与弹丸破碎程度的关系。 最后,在本文研究范围内,集成上述成果并基于对碎片云运动及碎片空间分布等规律的假设,提出了一个包含碎片云形状描述、速度分布及质量分布的碎片云模型,并给出了模型参数的计算方法。本模型刻画了碎片云的所有组成部分;以平面曲线方程描述碎片云不同组成部分的形状,进而建立了处于自由膨胀运动中的碎片云的速度分布模型。基于实验研究与数值模拟结果,提出了碎片云各组成部分的质量分布模型。应用质量、动量、能量守恒方程,计算碎片云模型中引入的待定参数。给出两个典型工况的算例,通过比较模型计算结果与数值模拟结果以及两个算例结果的互相比较,验证了模型的有效性。 本文的研究成果为防护结构撞击极限研究及航天器空间碎片防护结构设计提供了技术基础,揭示了弹板撞击过程中材料破碎并形成碎片云的机理,也为研发新型多层防护结构提供了超高速撞击碎片云特性研究的基础,具有一定的工程应用价值和理论指导意义。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘志勇;哈跃;管公顺;庞宝君;;铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析[J];航天器环境工程;2011年04期
2 李宏伟;蔡明辉;韩建伟;黄建国;李小银;于金祥;高著秀;刘丹秋;;微小空间碎片与原子氧协同效应研究[J];空间科学学报;2011年04期
3 张晓天;贾光辉;黄海;;基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析[J];航空学报;2011年07期
4 ;[J];;年期
5 ;[J];;年期
6 ;[J];;年期
7 ;[J];;年期
8 ;[J];;年期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
11 ;[J];;年期
12 ;[J];;年期
13 ;[J];;年期
14 ;[J];;年期
15 ;[J];;年期
16 ;[J];;年期
17 ;[J];;年期
18 ;[J];;年期
19 ;[J];;年期
20 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 徐坤博;龚自正;侯明强;代福;郑建东;;弹丸形状效应数值仿真研究[A];数学·力学·物理学·高新技术交叉研究进展——2010(13)卷[C];2010年
2 栗建桥;宋卫东;宁建国;;超高速撞击立方体卫星数值模拟研究[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
3 王卫杰;沈怀荣;李怡勇;;薄板超高速撞击穿孔毁伤仿真研究[A];第13届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集[C];2011年
4 陈千一;刘凯欣;刘伟东;单立;龚自正;;熔融石英玻璃超高速撞击损伤特性的分析[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
5 李怡勇;沈怀荣;王卫杰;;空间碎片超高速撞击数值模拟技术及应用[A];第13届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集[C];2011年
6 袁俊刚;曲广吉;闫军;;空间碎片防护结构设计技术研究进展[A];2007全国结构动力学学术研讨会论文集[C];2007年
7 张庆明;陈沿海;黄风雷;何远航;武玉玉;唐润棣;张向荣;;超高速斜碰撞的机理与效应[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
8 张庆明;谈庆明;张德良;郑哲敏;;超高速冲击铝双层板的熔化效应[A];郑哲敏文集[C];2004年
9 宫伟伟;张雄;;泡沫铝防护结构超高速撞击行为的物质点法模拟[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
10 徐金中;汤文辉;徐志宏;;超高速碰撞碎片云特征分析[A];中国数学力学物理学高新技术交叉研究学会第十二届学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 迟润强;弹丸超高速撞击薄板碎片云建模研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 哈跃;玄武岩纤维材料及其填充防护结构超高速撞击特性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 盖芳芳;空间碎片超高速撞击下充气压力容器破损预报[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 唐颀;超高速撞击板波特性与声发射空间碎片在轨感知技术[D];哈尔滨工业大学;2008年
5 管公顺;航天器空间碎片防护结构超高速撞击特性研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
6 李宏伟;微小空间碎片撞击效应研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2010年
7 马上;冲击爆炸问题的物质点无网格法研究[D];清华大学;2009年
8 黄鹏;金属及岩土冲击动力学问题的物质点法研究[D];清华大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 廖高健;火山岩弹丸超高速撞击航天器损伤特性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 李斌;轻质脆性弹丸作用下的防护结构超高速撞击特性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 蒋彩霞;超高速撞击碎片云损伤建模[D];哈尔滨工业大学;2007年
4 牛瑞涛;空间碎片铝网防护屏超高速撞击特性研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 胡威振;高速碰撞碎片云的单元分裂算法[D];华中科技大学;2009年
6 胡威振;高速碰撞碎片云的单元分裂算法[D];华中科技大学;2009年
7 程思锐;Ti_f/Al复合材料的准静态压缩性能及超高速撞击行为[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 何茂坚;球形弹丸超高速正撞击薄铝板碎片云特性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 张超;基于SAR卫星关键部件的碰撞损伤效应研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 毕强;陶瓷化铝板防护结构超高速撞击损伤特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报专稿 魏巍;美俄卫星大冲撞 连环爆炸危机高[N];世界报;2009年
2 王思潮 南京中科院紫金山天文台研究员;卫星相撞可能另有原因[N];江苏科技报;2009年
3 杨孝文;美俄卫星撞 尘埃令人忧[N];上海科技报;2009年
4 本报驻美国记者 管克江 本报驻俄罗斯记者 于宏建 廖政军;太空“拥堵”挑战人类智慧[N];人民日报;2009年
5 本报记者 陆振华;太空“碰碰车”[N];21世纪经济报道;2009年
6 尔东 孙闻;垃圾为患 太空亟待加强“环保”[N];大众科技报;2009年
7 记者 孙闻;碎片可能影响我国应用卫星[N];新华每日电讯;2009年
8 本报记者 黄永明;美俄卫星相撞:偶然中的必然[N];南方周末;2009年
9 特约记者 孙宏金;三大体系建设应对“太空垃圾”[N];中国航天报;2010年
10 记者 陈俊侠 栾海;美俄卫星相撞事故原因待查[N];新华每日电讯;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978