立方体弹丸超高速撞击薄板碎片云及穿孔特征仿真分析

目前主要是采用球形弹丸进行超高速撞击碎片云的研究工作,而空间碎片的实际形状大部分都并非球形,因此很有必要完善和深化非球形弹丸超高速撞击碎片云的相关研究。为此,本文采用非线性动力学软件AUTODyN-3D对立方体弹丸超高速撞击铝薄板所产生的碎片云及薄板穿孔特性进行数值仿真分析,得到了立方体弹丸在三种撞击姿态下以5km/s速度超高速撞击1.25mm厚铝薄板10μs内碎片云的演化过程,以及10μs时刻下的碎片云特征点速度参数和薄板穿孔特征参数随弹丸撞击姿态、撞击速度和无量纲参数薄板厚度与立方体弹丸边长之比H/L变化的规律。分析结果表明:三种撞击姿态下的碎片云在碰撞发生4μs之后均已经进入稳定的匀速膨胀阶段;除了角撞击的V2d/V不受撞击速度V的影响和面撞击的V2d/V不受薄板厚度与立方体弹丸边长之比H/L的影响之外,其它工况下的特征点速度参数均随V的增加而逐渐增大,随H/L的增加而逐渐减小;撞击速度V和薄板厚度与立方体弹丸边长之比H/L的增加有助于穿孔尺寸的扩展,而撞击姿态则对薄板穿孔形状特征影响更显著。

水滴超高速撞击Whipple防护结构的毁伤特性

采用水中泡大的高吸水性材料模拟水滴,开展了常温下直径为3.7和6.4 mm的球形水滴超高速正撞击典型Whipple防护结构(由缓冲板和效应板构成)的实验研究,得到了不同直径的水滴弹丸撞击下双层铝板的毁伤特性。采用LS-DYNA软件的有限元方法-光滑粒子流体动力学(finite element method-smoothed particle hydrodynamics,FEM-SPH)自适应方法对Whipple防护结构在直径为3~7 mm的水滴不同速度撞击下的毁伤特性进行了研究,分析了水滴直径、撞击速度、靶板厚度等因素的影响,给出了2~8 km/s速度范围内水滴超高速撞击铝板的无量纲穿孔直径经验公式,得到了3~7 mm水滴弹丸击穿Whipple防护结构所需的最低速度。

动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性数值模拟

基于有限元-光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)自适应算法,采用有限元软件LS-DYNA对动能块超高速碰撞多层防护结构的毁伤特性进行了数值模拟,并结合量纲分析方法,分析了动能块的质量和撞击速度对多层防护结构穿孔特性的影响。结果表明:保持其他参数不变,在所研究的质量和撞击速度范围内,所有的动能块均可以穿透全部17层铝合金板,并在靶后形成碎片云,在撞击过程中动能块和铝合金板内部出现层裂现象;第1层铝合金板的穿孔直径随着动能块质量的增大近似呈幂函数增大,拟合误差在5%以内;第2层铝合金板的穿孔直径随着撞击速度的提升也呈幂函数增大,拟合误差在10%以内;碎片云的头部速度随着撞击速度的提升近似呈线性增大。研究结果可为后期分析靶后碎片云的质量与速度分布、建立冲击载荷模型奠定基础。