物质点法在Whipple防护结构高速冲击中的应用研究

摘要

载人航天器设计中，必须考虑航天器对空间碎片撞击的防护问题，并使用动力学方法研究其完整撞击过程，以保证防护结构设计的合理性。Whipple防护结构作为方便、实用的空间碎片防护方案，除实体验证实验外，模拟研究主要依赖SPH或改进FEM法。 本文以物质点方法(Material Point Method，MPM)为基础，利用修正和扩充后的清华大学孙其诚组物质点C++程序分析了经典Whipple防护结构。文中预设弹丸直径4mm，初始速度分别为2km/s和4km/s。深入探讨了防护屏厚度为0.5mm、1.5mm、2.0mm和3.0mm的条件下整体防护结构的各种特性。并与文献中的模拟结果和实验结果进行交叉对比，验证了MPM方法对研究此类问题的适用性和精确性，证明了本文所使用程序的可靠性。接着，在同等条件下使用SPH方法计算同种工况，证明了MPM方法在计算效率上优于SPH方法。最后，综合论述了MPM方法在研究此类问题上的基本步骤和方法，为使MPM方法更加深入的研究高速冲击作用下的力学问题提供了可行性证明。 通过验证，物质点法对本文所研究问题在各方面均具有实用性。模拟结果具有较强可信度。并能得出在弹丸直径不变的条件下，当初始速度较低时弹丸对舱壁造成的损伤较大，与防护屏厚度关联性较小；当速度达到一定程度后舱壁受损程度与防护屏厚度的关系增强，即厚度的增加使得碎片云表现愈明显，对舱壁的损伤面积也愈明显的结论。同时也能观察出下一步MPM方法的发展方向。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究方法及目的

1.4 小结

第二章 基本理论

2.1物质点法基本理论与方程

2.1.1 控制方程及离散

2.1.2 运动方程的显式求解

2.1.3 显式物质点法和GIMP方法

2.1.4 接触算法

2.2 Whipple防护结构基本理论与方程

图2-5 Whipple防护结构简图

Fig2-5 Whipple protective structure sketch

2.3 泰勒杆基本理论与方程

图2-6 Taylor杆问题简图

Fig2-6 Taylor test sketch

2.4 小结

第三章 数值模拟与对比

3.1 程序验证

3.1.1 程序框架与改进

3.1.2 Taylor杆验证模拟

3.2 不同工况的数值结果

图3-4 Whipple防护结构示意图

Fig3-4 Whipple protective structure sketch

表3-3 Whipple防护结构具体参数

Tab3.3 Detail parameter of Whipple protective str

表3-4 Whipple防护结构模型的物质点数目

Tab3-4 Number of material points for Whipple prot

3.2.1 弹丸初速度2km/s时的工况

3.2.2 弹丸初速度4km/s时的工况

3.2.3 工况模拟结果小结

3.2.4 模拟结果的横向对比

3.3 物质点法高效性对比

表3-5 Johnson-Cook本构模型参数

Tab3-5 Johnson-Cook constitutive model parameter

图3-16 Whipple防护结构的SPH模型

Fig3-16 SPH model of Whipple protective structure

3.4 小结

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文