彈丸超高速撞擊薄板碎片云建模研究.pdf

1、隨著空間碎片日益增多，其超高速撞擊對(duì)航天器特別是載人航天器在軌安全運(yùn)行構(gòu)成的威脅越來越嚴(yán)重。在航天器艙壁外間隔一定距離安裝一層或多層薄板防護(hù)屏可以破碎空間碎片，分散其撞擊能量，從而有效保護(hù)航天器的安全。鋁合金薄板被廣泛用來制作防護(hù)屏，直接承受空間碎片的撞擊。
　　空間碎片穿透薄板防護(hù)屏后破碎形成的碎片云的特性直接影響后板(艙壁或后繼防護(hù)屏)的撞擊損傷效果，因此，對(duì)超高速撞擊碎片云進(jìn)行研究是航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)的一個(gè)重要

2、技術(shù)基礎(chǔ)。迄今，對(duì)碎片云形成過程的定量研究尚比較缺乏；另外，多數(shù)已有的碎片云模型只適合描述相對(duì)較高撞擊速度范圍內(nèi)產(chǎn)生的碎片云，其中撞擊體的破碎程度較高。
　　基于以上背景，本文針對(duì)處于相對(duì)較低撞擊速度范圍內(nèi)的薄板超高速撞擊現(xiàn)象(彈丸經(jīng)歷從塑性變形到完全破碎的過程，且所有材料均保持為固體狀態(tài))，重點(diǎn)研究鋁合金球形彈丸超高速正撞擊鋁合金薄板后撞擊體的破碎過程、碎片云的形成過程、碎片云的組成結(jié)構(gòu)與形態(tài)特點(diǎn)、碎片云的速度與質(zhì)量特性、彈丸破

3、碎特性、超高速撞擊過程中的能量特性等，最終建立一個(gè)碎片云模型。本文的研究范圍為：v0(撞擊速度)介于2.00km/s與5.00km/s之間；t/D(薄板厚度與彈丸直徑之比)介于0.032與0.315之間。
　　首先，應(yīng)用二級(jí)輕氣炮加載技術(shù)進(jìn)行了彈丸超高速正撞擊薄板實(shí)驗(yàn)研究，利用閃光 X射線照相設(shè)備獲取了碎片云圖像，并在薄板后面放置觀察板記錄碎片云撞擊造成的損傷。彈丸直徑為6.35mm，薄板厚度介于0.50mm~2.00mm，撞擊速

4、度介于2.23km/s~5.26km/s。為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段在實(shí)驗(yàn)數(shù)量方面的不足并深入了解超高速撞擊過程與機(jī)理，采用SPH算法進(jìn)行了大量超高速撞擊數(shù)值模擬研究，獲取了碎片云多種特性的數(shù)據(jù)。通過比較數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)兩種手段得到的碎片云形態(tài)及特征點(diǎn)速度，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬手段的有效性。
　　第二，基于前人的研究成果，介紹了超高速撞擊過程中彈丸與薄板內(nèi)應(yīng)力波的傳播與相互作用規(guī)律以及撞擊體材料的破碎機(jī)理，并利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

5、結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，提出關(guān)于彈丸材料發(fā)生破碎與形成碎片云的臨界問題；借助數(shù)值模擬手段，建立了上述現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的臨界撞擊條件表達(dá)式，并描述了碎片云的形成過程。通過數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)了薄板前表面材料發(fā)生破碎與產(chǎn)生反濺兩種過程的差別，解釋了其原因，并建立了相應(yīng)臨界撞擊條件表達(dá)式。基于碎片云圖像與觀察板損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，定義了不同撞擊條件下碎片云的組成結(jié)構(gòu)，總結(jié)并描述了碎片云的形態(tài)特點(diǎn)，確定了觀察板損傷與碎片云的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　

6、　第三，根據(jù)碎片云形態(tài)特點(diǎn)，在碎片云上定義了4個(gè)能夠表征碎片云形態(tài)特點(diǎn)的特征點(diǎn)；借助數(shù)值模擬研究結(jié)果，分析了所有特征點(diǎn)速度隨撞擊條件(v0、t/D)的變化規(guī)律，建立了特征點(diǎn)的歸一化速度與撞擊條件的定量關(guān)系式。綜合利用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬手段，提出了碎片云各組成部分的質(zhì)量計(jì)算模型?；跀?shù)值模擬結(jié)果，建立了超高速撞擊過程中能量耗散與撞擊條件的定量關(guān)系。借助超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中獲得的觀察板損傷數(shù)據(jù)，分析了最大碎片尺寸等彈丸破碎程度表征量隨

7、撞擊條件的變化規(guī)律，并討論了主體碎片云質(zhì)量分布與彈丸破碎程度的關(guān)系。
　　最后，在本文研究范圍內(nèi)，集成上述成果并基于對(duì)碎片云運(yùn)動(dòng)及碎片空間分布等規(guī)律的假設(shè)，提出了一個(gè)包含碎片云形狀描述、速度分布及質(zhì)量分布的碎片云模型，并給出了模型參數(shù)的計(jì)算方法。本模型刻畫了碎片云的所有組成部分；以平面曲線方程描述碎片云不同組成部分的形狀，進(jìn)而建立了處于自由膨脹運(yùn)動(dòng)中的碎片云的速度分布模型?；趯?shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬結(jié)果，提出了碎片云各組成部分的質(zhì)量分