基于泡沫金属材料的新型填充式防护结构撞击特性研究

摘要

航天事业的迅速发展，给人类带来了巨大的经济效益。同时，也产生了大量的空间碎片。这些空间碎片严重威胁着在轨航天器的安全运行。毫米级的空间碎片由于体积太小并且数量太多，只能采取被动的防护手段。研究轻质、高效且具有优良防护性能的航天器防护结构越来越受到人们的重视。
　　通过超高速撞击试验研究比较了泡沫铝填充结构和夹层结构的防护性能，同时研究比较了纯铝基泡沫与铝硅合金基泡沫结构的防护性能，实验结果表明在速度范围2.6-6.3km/s内填充结构的防护效果优于夹层结构，在速度范围3.0-5.0km/s内，整体上面密度相当的铝硅合金基泡沫结构的防护能力要稍强于纯铝基泡沫结构。通过撞击试验和数值仿真研究了影响泡沫铝填充结构防护性能的因素——防护结构布局、泡沫铝孔隙率、平均孔径。选择3种孔隙率的泡沫铝——50％、60%、70%，通过改变泡沫金属的厚度使其具有相同面密度，建立了3种泡沫铝填充结构和2种填充实心铝板结构，使这些结构的防护结构面密度都约为0.55g/cm2。超高速撞击试验的速度约为2.0km/s和4.0km/s。实验结果表明泡沫铝填充结构的防护效果优于填充实心铝板结构，并得到了防护效果好的结构；实验结果表明在速度为2.0km/s时3种孔隙率的泡沫铝填充式结构的防护效果相当，速度为4.0km/s孔隙率为70%的泡沫铝填充式结构的防护效果稍好。泡沫铝的平均孔径选择了0.5mm、1.0mm、2.5mm三种，仿真了低速（2.0km/s）、高速（6.0km/s）的工况，泡沫铝平均孔径为0.5mm的填充结构的后板损伤最小，防护效果最好。
　　对铝硅合金基、AL7075-T651基、钛基3种不同基体材料的泡沫金属进行了数值仿真研究，在低速（2.0km/s）时，AL7075-T651基泡沫填充式结构优于钛基泡沫填充式结构的防护效果，且二者均优于铝硅合金基泡沫填充式结构；在4.0km/s时，钛基泡沫填充式结构防护效果稍好；在高速（6.0-8.0km/s）时铝硅合金基泡沫填充式结构的防护效果好于另外两种。对镍基泡沫填充式结构与铝硅合金基泡沫填充式结构进行超高速撞击试验研究，结果表明在速度2.7km/s左右时填充铝硅合金基泡沫防护结构的防护效果优于填充镍基泡沫防护结构。

目录

基于泡沫金属材料的新型填充式防护结构撞击特性研究

THE RESEARCH ON PERFORMANCE OF NEW METAL-FOAM STUFFED SHIELD AGAINST HYPERVELOCITY IMPACT

摘 要

Abstract

目 录

绪论

课题背景

航天器空间碎片超高速撞击防护结构研究进展

防护结构方案

撞击极限曲线

泡沫金属材料的研究现状

泡沫金属概述

泡沫金属材料的力学性能

泡沫材料在航天器防护上的应用

存在的不足

本文的主要研究内容

泡沫金属填充结构与夹层结构防护性能研究

引言

SPH法的泡沫金属微结构几何建模及验证

泡沫金属的建模方法

泡沫金属建模方法的有效性验证

泡沫金属填充结构与夹层结构防护性能比较

本章小结

影响泡沫铝填充结构防护性能的因素研究

引言

实验方法

防护结构布局的影响

撞击速度为2km/s的工况

撞击速度为4km/s的工况

孔隙率的影响

平均孔径的影响

本章小结

不同泡沫金属填充式结构防护性能研究

引言

AL7075-T651基泡沫、钛基泡沫、镍基泡沫填充式结构防护性能研究

AL7075-T651基泡沫、钛基泡沫填充式结构防护性能研究

镍基泡沫的防护性能研究

本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢