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

2、技術(shù)基礎(chǔ)。迄今，對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，本文針對處于相對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、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)用二級輕氣炮加載技術(shù)進行了彈丸超高速正撞擊薄板實驗研究，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。為了彌補實驗手段在實驗數(shù)量方面的不足并深入了解超高速撞擊過程與機理，采用SPH算法進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)值模擬與實驗兩種手段得到的碎片云形態(tài)及特征點速度，發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果吻合較好，驗證了數(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理，并利用實驗與數(shù)值模擬

5、結(jié)果進行了驗證。根據(jù)實驗觀察結(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)生時的臨界撞擊條件表達式，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)臨界撞擊條件表達式。基于碎片云圖像與觀察板損傷實驗結(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，確定了觀察板損傷與碎片云的對應(yīng)關(guān)系。
　

6、　第三，根據(jù)碎片云形態(tài)特點，在碎片云上定義了4個能夠表征碎片云形態(tài)特點的特征點；借助數(shù)值模擬研究結(jié)果，分析了所有特征點速度隨撞擊條件(v0、t/D)的變化規(guī)律，建立了特征點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、實驗研究與數(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。借助超高速撞擊實驗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碎片云運動及碎片空間分布等規(guī)律的假設(shè)，提出了一個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，進而建立了處于自由膨脹運動中的碎片云的速度分布模型?；趯嶒炑芯颗c數(shù)值模擬結(jié)果，提出了碎片云各組成部分的質(zhì)量分