UHMWPE的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响

为分析超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)的应变率效应及其对超高速碰撞特性的影响规律,采用万能材料试验机和分离式霍普金森拉杆对UHMWPE纤维束进行静、动态拉伸实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系,并进一步开展了UHMWPE纤维织物的超高速碰撞数值模拟。结果表明,UHMWPE的拉伸模量和强度均随应变率的升高而逐渐增大。随着材料应变率敏感系数的增大,防护结构对弹丸动能的吸收率呈现先减小后增大的趋势。

纤维织物超高速碰撞热-力学特性数值模拟

针对纤维织物防护结构在空间碎片超高速碰撞下发生的变形、破碎及温升、相变等热-力学问题,引入Johnson-Cook模型及Gruneisen状态方程,结合纤维织物纱线编织几何模型及FEM-SPH耦合算法,建立了纤维织物超高碰撞数值模型,并研究了纤维织物强度对超高速碰撞热-力学特性的影响规律。结果表明:随着纤维织物强度的增加,纤维织物防护结构对弹丸的动能吸收能力增强;纤维织物碰撞区域热效应显著,随着纤维织物强度的增加,碰撞区域中心的热效应先增强后减弱;当纤维织物强度在2000 MPa附近时,碰撞区域中心的热效应较为显著。

充气展开月面居住舱微流星体防护及隔热设计

为满足月面居住舱轻质、大容积、高防护性能的要求,提出并设计了一种具有多层夹芯多功能防护层的充气展开月面居住舱,研制了充气展开月面居住舱样机,分析了舱体的微流星体超高速碰撞防护及隔热性能,并测试了折叠与展开性能。结果表明:充气展开月面居住舱具有很好的微流星体防护和隔热性能、较高的折叠效率,可快速平稳地充气展开成型为大容积月面居住舱,为航天员提供安全舒适的月面工作和生活环境。

预张力纤维织物超高速碰撞热-力学特性分析

高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷,并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力,并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响,从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响,采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型,利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模,并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸,进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型,分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明:在弹丸超高速碰撞下,随着预张力的提高,纤维织物穿孔面积增大,碎片云扩散角减小,弹丸动能吸收率降低,碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。

纤维织物超高速碰撞热-力学模型与分析

考虑纤维织物碰撞过程中的生热、应变率强化及高温软化效应,引入Johnson-Cook模型及Gruneisen状态方程,建立纤维本构模型,基于FEM-SPH耦合算法,考虑纤维织物的纱线编织结构,建立了纤维织物超高速碰撞热-力学单胞模型。该模型可给出纤维织物超高速碰撞过程中的侵彻、破碎、应力、应变等力学信息,及纤维织物的生热和温度场等热学信息,模型分析与试验结果具有较好的一致性。

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。

充气囊体力学性能试验研究

针对充气囊体在较高气压下具有显著的非线性大变形特征、且囊体为柔性结构变形测量困难的问题,采用非接触式全场应变摄影测量系统,测试了充气囊体在不同充气压力作用下的变形特性,得到了充气囊体表面不同区域薄膜应力随囊体尺寸、充气压力变化规律,验证了充气囊体在载人条件下的承压安全性,并得到了不同尺寸充气囊体的压力容限。

屏间充气展开式多屏防护结构及其防护性能分析

为提高航天器空间碎片防护结构的防护性能,减小其发射体积,提出了一种可折叠发射的屏间充气展开式多屏防护结构,通过充气展开支撑管在轨充气展开,成型为多屏大间距防护结构。分析了展开式多屏防护结构的空间碎片防护性能,得到了屏间距对多屏结构防护性能的影响规律。结果表明:在相同面密度下,展开式多屏防护结构的防护性能显著优于单屏防护结构,且其防护性能随屏间距的增大而提高。

纤维织物FEM-SPH耦合单胞模型及超高速碰撞特性

目前,对纤维织物超高速碰撞过程中的变形、断裂、破碎等力学行为已有较广泛的研究,但对碰撞过程中纱线间接触问题的分析尚未见公开文献报道。考虑纱线间的相互作用,建立了纤维织物的FEM-SPH耦合单胞模型,该模型不仅能够进行纤维织物超高速碰撞过程中的穿孔断裂、破碎、碎片云扩展等损伤行为分析,还能够进行纱线间的接触作用过程分析。结果表明,该模型分析结果与试验结果具有较好的一致性。

芳纶/环氧纤维复合材料超高速撞击特性研究

对芳纶/环氧复合材料的超高速撞击特性进行了实验研究,分析了芳纶/环氧复合材料撞击损伤区域的破坏形式和损伤特性,提出了以纱线断裂数目、穿孔体积等作为撞击吸能特性的表征参数,得到了芳纶/环氧纤维复合材料的超高速撞击防护性能和破坏规律,并讨论了撞击过程中的能量转换和传递过程。结果表明:随着厚度增加,芳纶/环氧复合材料超高速撞击防护性能也相应提高,但其防护效率却有所降低。当厚度较薄时,芳纶/环氧复合材料会被超高速弹丸直接贯穿;随着厚度增加,复合材料撞击损伤机理发生改变,复合材料发生层间开裂现象,并对弹丸产生分层破碎效应。