弹丸超高速撞击薄板碎片云建模研究

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。

目录

弹丸超高速撞击薄板碎片云建模研究

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 空间碎片问题及航天器防护

1.2 防护结构性能与碎片云特性

1.3 超高速撞击碎片云研究进展

1.4 研究现状分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 超高速撞击理论及碎片云实验与数值模拟

2.1 引言

2.2 一维冲击波理论

2.3 超高速撞击碎片云实验

2.4 超高速撞击碎片云数值模拟

2.5 本章小结

第3章 超高速撞击碎片云形成过程与形态

3.1 引言

3.2 弹板撞击过程与撞击体破碎

3.3 弹丸材料碎片云形成过程研究

3.4 薄板材料碎片云形成过程研究

3.5 碎片云组成结构与形态

3.6 本章小结

第4章 超高速撞击碎片云特性

4.1 引言

4.2 碎片云运动特性

4.3 碎片云质量特性

4.4 超高速撞击能量耗散特性

4.5 弹丸破碎特性

4.6 本章小结

第5章 超高速撞击碎片云模型

5.1 引言

5.2 碎片云模型建模方案

5.3 碎片云形状描述与速度分布

5.4 碎片云质量分布

5.5 碎片云模型参数的确定

5.6 应用算例与模型验证

5.7 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 碎片云实验照片

附录 B 观察板损伤实验照片

附录 C 薄板穿孔实验照片

攻读学位期间发表、待发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历