超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。

超高速碰撞产生等离子体的机理分析

用二级轻气炮开展直径为6.4 mm的球形LY12铝弹丸以不同速度撞击厚度为23 mm的LY12铝靶,得到了等离子体电子温度。提出超高速碰撞产生等离子体的剩余比内能机制和弹靶粒子二次碰撞机制,开展球形弹丸超高速碰撞靶板试验。结果表明:产生等离子体的临界碰撞速度约为4.8 km/s,与弹靶粒子二次碰撞机制相符;用电子力场方法模拟一维平面超高速碰撞,得到产生等离子体相变的临界碰撞速度为10 km/s,与剩余比内能机制相符。弹丸超高速碰撞靶板产生等离子体的机理是喷出物中弹靶粒子发生二次碰撞,使弹靶粒子剩余比内能进一步增大而发生电离。

超高速碰撞产生等离子体及电磁辐射效应的研究进展

超高速碰撞产生等离子体及电磁辐射效应是固体材料在强冲击作用下一种非常复杂的物理响应。从实验研究、理论研究和计算机模拟3个方面分别介绍了国内外学者在超高速碰撞产生等离子体及其电磁辐射效应方面的研究进展。通过实验和理论研究已在超高速碰撞产生等离子体及电磁辐射效应方面取得了一定进展,初步建立了等离子体膨胀和电磁辐射模型,得到了碰撞参数、弹靶材料特性影响等离子体及电磁辐射效应的初步结论。通过电子力场方法和第一性原理对超高速碰撞产生的等离子体相变进行了初步探索,为从微观上揭示超高速碰撞产生等离子体的机理提供了一种崭新途径。进一步研究超高速碰撞产生的电磁效应,揭示电磁辐射产生机理、电磁辐射强度与碰撞参数之间的关系以及电磁辐射与力学耦合效应都具有十分重要的意义。

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。

超高速碰撞力电耦合的模型分析

超高速碰撞成坑过程中,等离子体运动产生的瞬时电场和电磁辐射对靶板中的应力状态产生影响,靶板中应力状态的变化又会加剧靶板的损伤和破坏,进而影响等离子体运动及等离子体产生的电磁辐射,发生变化的等离子体及其电磁辐射又会影响靶板中的应力状态。等离子体及其电磁辐射在靶板中产生的附加应力使靶板更易损伤和破坏,加剧了靶板材料发生等离子体相变。建立了超高速碰撞等离子体及其电磁辐射在靶板中产生附加应力的理论模型。结果表明:碰撞速度为5 km/s时,附加应力约为1 MPa,碰撞速度大于15 km/s时,附加应力达到数十兆帕,超高速碰撞过程中的力电耦合效应比较明显。将附加应力理论模型引入分子动力学计算程序中,对超高速碰撞过程中的力电耦合效应进行模拟。结果表明:超高速碰撞产生的等离子体及其电磁辐射使靶板势能有所增加,而对靶板温度影响不大,使靶板在后续碰撞过程中更易损伤和破坏。

超高速弹丸碰撞薄板仿真模拟

超高速反舰导弹成为大型水面舰艇的潜在威胁。基于Autodyn仿真软件,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法开展弹丸超高速碰撞薄板的仿真模拟研究,建立超高速碰撞仿真模型,对实验工况进行仿真模拟,通过对比薄板开孔尺寸和典型碎片云形貌,对仿真模型有效性进行验证。在此基础上,开展不同工况仿真模拟,对比分析碰撞速度、弹丸直径、靶板厚度对薄板开孔直径和碎片云形貌的影响规律。碰撞速度越大,碎片云横向尺寸和径向尺寸越大,而且横向尺寸增加幅度大于径向尺寸增加幅度,碎片云长径比不断增加。弹丸直径越大,碎片云横向尺寸和径向尺寸越大,而且横向尺寸增加幅度小于径向尺寸增加幅度,碎片云长径比不断减小。靶板厚度越大,碎片云横向尺寸和径向尺寸越小,而且横向尺寸减小幅度大于径向尺寸减小幅度,碎片云长径比不断减小。薄板开孔直径随碰撞速度、弹丸直径和靶板厚度明显增大,基于仿真数据,对靶板开孔直径经验公式进行了修正。

超高速碰撞可见光谱辐射强度测量技术

针对航天器防护技术及超高速碰撞物理现象研究需要,为超高速碰撞靶研制了超高速碰撞光谱辐射强度测量系统。笔者对该系统的设计和应用该系统对半无限靶碰撞可见光谱辐射强度测量结果进行了介绍。结果表面:所研制的可见光谱辐射强度测量系统满足超高速碰撞可见光谱辐射强度测量要求,并具有成本低、使用方便和易于扩展功能等特点。

超高速碰撞碎片云的激光阴影照相技术

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞靶上建立了激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪和成像系统组成,在采用补偿式滤光[1]等技术后,获得了撞击速度v≈6km/s时清晰的碎片云图像。本文对该系统的工作原理、系统构成以及调试情况进行了介绍。试验结果表明:(1)该系统可以获得清晰的超高速碰撞碎片云图像;(2)扩束镜、成像物镜质量本身是影响碎片云激光阴影成像质量的主要因素;(3)各光学元件的不同结构及不同放置也会严重影响阴影成像质量。

超高速碰撞喷出物气化与等离子体形成的物理机制

为了了解超高速碰撞产生等离子体的物理机制,采用理论方法对超高速碰撞LY12铝靶各物理过程的能量分配进行了分析,涉及到熔化相变、气化相变及等离子体形成过程的能量消耗。揭示了碰撞喷出物形成过程中各物理阶段对气化、等离子体形成的影响因素,包括碰撞的附加热机制、材料碰撞后等离子体羽的形成及等离子体羽膨胀的物理机制,并给出了模型描述。

空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法

利用光滑质点动力学SPH (SmoothedParticleHydrodynamics)方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟 .在数值模拟中 ,为了充分发挥SPH方法和有限元方法FEM (FiniteElementMethod)的优点 ,利用有限元单元和SPH节点混合建模 ,将有限元单元和SPH节点 (SPHnodes)通过定义接触条件相结合 ,在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模 ,而小变形区域则采用有限元单元建模 ,从而大大节省求解时间 ,提高计算效率 .计算结果表明 ,弹丸在穿透前板后 ,形成二次碎片 ,碎片云经膨胀和拉长 ,对后板造成轻微的损伤 ,这和文献的相关试验数据是符合的 .利用SPH方法对空间碎片的超高速碰撞过程进行数值模拟 ,不仅很好地预测了Whipple防护结构的破坏情况 ,而且对整个碰撞过程 ,包括碎片云的形成、膨胀和拉长过程都有形象的描述 。

圆柱形长杆超高速正碰撞薄板结构破碎效应

超高速碰撞多层板结构破碎效应研究对空间碎片防护及动能武器毁伤效应研究有着重要意义。采用ANSYS/AUTODYN程序的SPH方法,对超高速碰撞碎片云的形成过程进行了数值模拟,某典型时刻一次及二次碎片云形貌的数值模拟结果与实验结果吻合较好,验证了计算方法和模型参数的正确性。在此基础上采用数值模拟方法,对钨合金、轧制均质装甲(Rolled Homogeneous Armor,RHA)及LY12铝三种材料的圆柱形弹体超高速碰撞薄板的破碎规律进行了研究,基于量纲分析方法得出了弹体破碎长度随弹靶材料特性、弹靶尺寸及初始撞击速度变化的关系式。并研究了钨合金及RHA两种材料的长杆弹对八层RHA板结构的超高速碰撞效应。

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SPH)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了AP-DL生成蜂窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.

超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律,利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度,基于大量实验,建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合,得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明:在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大,验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀,随着等离子体云的向外膨胀,离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小;在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。

空间碎片超高速碰撞的数值方法研究

应用非线性动力学数值仿真软件AUTODYN-2D对空间碎片的超高速碰撞问题进行模拟,研究不同数值计算方法和材料模型的适用范围,空间碎片形状对碎片云的影响,冲击相变等问题。结果表明,在研究超高速碰撞中普遍采用的SPH方法可以很好地模拟碎片云的情况,但是难以对冲击相变问题进行模拟,而采用侵蚀模型的拉格朗日方法可较好地反映冲击相变现象。Tilloston状态方程适用于描述冲击相变问题,包括汽化问题。Johnson-Cook强度模型用来对应变硬化、应变率硬化以及熔化等问题进行模拟。因此,在当速度足以使材料发生相变时,Tilloston状态方程和Johnson-Cook强度模型是比较好的选择。

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4.6km/s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。

超高速碰撞LY12铝靶产生闪光的辐射演化特征

为研究超高速碰撞产生闪光的辐射演化特征,利用建立的瞬态光纤高温计测量系统结合二级轻气炮加载系统,进行了4种实验条件下的超高速碰撞实验。每组实验使用一组光纤探头,基于实验所获原始数据结合标定,通过Matlab编程处理得到了给定实验条件及光纤探头安装方案条件下的闪光强度演化,利用比率法得到碰撞闪光的辐射温度演化特征。实验结果表明,在488～667nm波长范围内超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光强度与辐射温度峰值随碰撞角度(与靶板平面的夹角)的增大而减小。

球形弹丸超高速碰撞破碎特性

讨论超高速碰撞数值模拟方法,用ANSYS/AUTODYN程序的SPH方法对球形弹丸超高速撞击时弹丸破碎、碎片云形成过程进行数值模拟并与实验结果比较,验证计算方法及模型参数的正确性。在此基础上研究钨合金、轧制均质装甲(Rolled Homogeneous Armor,RHA)两种材料球形弹丸破碎的临界速度随比值(ts/dp,ts为靶板厚,dp为弹丸直径)的变化规律,给出两种材料超高速碰撞时应变率及平均碎片尺寸随撞击速度的变化曲线以及碎片质量分布规律。

超高速碰撞材料毁伤效应研究进展

超高速动能武器的快速发展,使武器弹药的打击效能大幅提高,超高速碰撞毁伤效应研究已成为武器弹药研制和目标防护的研究重点。对国内外混凝土、岩石、金属和复合材料的超高速碰撞毁伤效应研究现状进行概述,分析了超高速动能武器的发展趋势,对超高速碰撞毁伤效应研究中存在的问题进行总结,在此基础上,探讨了超高速碰撞毁伤效应未来的研究重点。

超高速碰撞2024-T4铝靶产生的闪光强度测量

为了研究超高速碰撞产生的闪光强度特征,利用建立的光学高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,进行了2种实验条件下的超高速碰撞实验。每组实验使用2组光纤探头,1组为直接对准碰撞点安装,另1组为侧向对准碰撞点安装。通过实验所获原始数据的分析表明:在给定实验条件及光纤探头安装方案下,在405～633nm波长范围内超高速碰撞2024-T4铝靶产生的闪光强度峰值随波长的增大而增强;在波长为667nm附近闪光强度峰值减小。