射弹高速撞击下结构冲击响应建模方法

装备受到外界打击可能造成失效,以往的研究多集中在打击部位的损伤破坏,而对于打击引起的冲击波及其在装备内传播研究较少,而后者同样能够导致装备失效。本文针对结构在高速撞击下的冲击响应问题开展了建模方法研究,提出了结构在高速打击下的冲击源建模方法,并通过理论分析给出了建模方法的适用条件。利用传统的有限元技术,结合本文的冲击源建模方法,可以有效地对结构高速撞击下的冲击响应进行仿真,通过试验验证了方法的适用性。

球形含能结构材料弹体超高速撞击多层薄钢靶的毁伤特性

为研究含能结构材料对多层薄钢靶的超高速毁伤特性,利用二级轻气炮开展了PTFE/Al基和Al基全金属两种含能结构材料超高速撞击多层钢靶的典型毁伤模式研究,得到了材料类型和侵彻速度对毁伤效应的影响。研究结果表明,相比于惰性金属材料,两种含能结构材料对多层薄钢靶均具有明显的靶后横向毁伤增强效应,能够对第二层靶板产生大破孔的毁伤效果,破孔孔径可达弹径的4倍以上。基于AUTODYN数值仿真软件开展了含能结构材料参数有效性验证和含能弹体不同侵彻速度下毁伤效果的数值仿真,结果显示J-C强度模型联合Lee-Tarver三项式点火反应模型和J-C强度模型联合Shock状态方程分别能够较好地描述PTFE/Al基和Al基全金属含能结构材料对多层薄钢靶的破孔毁伤特性。此外,材料释能机制的差异使得提高侵彻速度对提升PTFE/Al基含能结构材料的毁伤效果的作用有限,但能够明显提升Al基全金属含能结构材料对多层钢靶板的毁伤效果。

砾石堆结构超高速撞击溅射物特性

动能撞击偏转是小行星防御可实施性与成熟度较高的方案,且已在相关深空探测任务得到了应用。面向不同类型的小行星,如何在撞击过程中产生更大的动量传递并利用溅射物观测数据评估撞击效果是该技术待解决的关键问题。建立了不同粒径与质量占比的砾石堆靶体模型,开展了铝制撞击体超高速撞击砾石堆靶体的数值模拟研究,分析了砾石粒径与质量占比对撞击溅射物特性的影响规律与机制。结果显示:砾石堆结构在超高速撞击作用下,形成非对称形貌溅射物,且在砾石缝隙区域可形成射线形溅射物;射线部分溅射物具有更大的溅射角,射线长度、射线数量与砾石直径及其质量占比相关,针对建立的砾石堆靶体模型,大粒径砾石靶体产生的沿撞击速度反方向的溅射物动量最大,可为未来动能撞击任务的区域选取提供参考。

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。

水滴高速撞击风力机叶片的SPH-FEM耦合计算

基于SPH-FEM耦合方法,对水滴高速撞击叶片涂层表面后的动态过程及材料冲击响应进行计算。结果表明:水滴撞击后会出现两次接触力峰值,第一次是由水滴被压缩后形成的高压导致的,会在涂层表面形成较高的应力,但造成材料的塑性变形较小;第二次是由水滴内部的高压释放引起的横向扩散导致的,会在涂层表面造成较大的塑性变形,是导致叶片前缘损伤的主要因素;水滴速度的增加或涂层厚度的减小会导致更大的接触力,同时在涂层表面产生更大的塑性变形区域以及塑性应变。

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能,采用二级轻气炮发射球形弹丸,对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究.根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征,以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律.通过固定弹丸直径,改变弹丸撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5～5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线,并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较,结果表明,实验最小临界弹丸直径略大于预测值.

玄武岩纤维布Whipple防护结构超高速撞击损伤分析

针对加入玄武岩纤维织物对Whipple防护结构损伤产生的影响进行了实验研究.探讨了将玄武岩纤维织物作为航天器空间碎片超高速撞击损伤防护结构的增强材料用于航天领域的可行性.实验采用的基本构形为Whipple防护结构,玄武岩纤维布按不同方案布置在结构中.实验分析表明,玄武岩纤维布的防护作用在于:其发生击穿破坏时,击穿孔处的纤维束产生的断裂和孔边处纤维束产生的变形消耗和吸收了撞击物的撞击能量;破坏时,玄武岩纤维束中逐次断裂的纤维丝与撞击物的撞击除了对撞击物产生切割作用外还在撞击物中产生高频的间歇冲击波,两者都对撞击物产生碎化作用;玄武岩纤维布自身的破坏不会再产生新的大碎片.

高速撞击流法制备超细HMX炸药

利用高速撞击流法在不同的工艺条件下制备了超细HMX颗粒,研究了分散剂和制备工艺条件对HMX粒径的影响。结果表明,利用高速撞击流法可制备出纳米级超细HMX炸药颗粒。

钨合金弹体超高速撞击混凝土靶成坑特性研究

为探究钨合金弹体超高速撞击混凝土靶的成坑直径和成坑体积随动能变化的规律,采用二级轻气炮开展了钨合金弹体以1.97～3.66km/s的速度撞击混凝土靶实验,利用CT图像诊断方法得到了实验后的成坑特性实验数据,并基于点源假设进行了超高速撞击条件下成坑特性的量纲归—化分析。结果表明:超高速撞击条件下靶板成坑为"弹坑+弹洞"型;成坑直径和成坑体积随动能增加而单调递增,通过量纲分析得到成坑直径3次方和成坑体积都与弹体动能近似成正比,拟合指数μ接近动能主导的指数2/3,说明成坑过程主要受动能影响.

超高速撞击数值仿真结果分析

为了分析超高速撞击过程的宏观现象和内在机理,对 9.53 mm铝球以6.64 km/s的速度撞击2 2 mm厚的铝靶的SPH仿真结果进行了量化分析。结果表明:采用SPH方法以及Steinberg弹塑性模型和Mie Grüneisen状态方程,可获得与试验相符的仿真结果;球形破片开坑或穿孔直径遵循初始快速增加、然后缓慢增加,直至稳定的变化规律;破片/靶板界面的最大撞击压力比材料强度大两个量级以上;靶板阻抗力最大值发生在破片最大直径侵入靶板时刻;碎片云的运动过程具有自相似演化特征,其运动范围不会超出碎片云的包络圆锥范围。

超高速撞击产生碎片云相分布数值模拟

空间碎片与航天器的撞击速度通常大于10km/s,这种速度条件下撞击过程的物理特点是高温、高压和高应变率,同时伴随着熔化、汽化及等离子体等相变问题发生。利用AUTODYN/SPH的二次开发功能,在程序中嵌入Sesame状态方程数据库和铝材料的相图,数值模拟出撞击速度为5.0和5.6km/s时的防护屏穿孔直径分别为9.02mm和9.34mm,计算结果与实验结果符合较好,说明物理建模及参数的选取合理,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性。通过计算给出碎片云的热力学量压力和温度分布,结合铝的相图,对超高速撞击产生碎片云的相分布进行了初步计算,给出了碎片云中固、液、气相的分布范围。

单层板超高速撞击声发射波的频谱特征分析

空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求，为研制基于声发射技术的感知系统，有必要研究超高速撞击产生的声发射信号波形特征。进行了铝弹丸超高速撞击单层板的实验，利用超声传感器采集到声发射波形，并使用小波变换对波形进行频谱分析。结果表明：在1～4km／s的撞击速度范围内，超高速撞击在单层板内引起的声发射波主要是AO模式、S0模式及S2模式的弹性板波；A0模式波形随撞击速度增大而减弱，其余2种模式则随之增强；成坑撞击波形具有较强的A0模式，击穿撞击波形具有较强的S0模式和S2模式。引入超高速撞击过程中的法向冲击作用和径向扩孔作用的概念，分析了上述规律。

弹丸超高速撞击单层和多层板结构的碎片特征研究

针对空间碎片撞击航天器典型结构形成的碎片特征问题,开展了单层板和多层板在4.4～5.8km/s速度下的超高速撞击试验,利用激光阴影照相技术和碎片软回收方法获得了不同试验状态下碎片尺寸及质量分布等信息,同时采用数值仿真方法分析了碎片的形成机理。研究结果表明,碎片数量随弹丸及靶材尺度的增大、撞击速度的提高而增加,且随碎片尺寸的减小呈指数关系增长。碎片尺寸与其形成机理有关,小碎片主要是在应变率较高的冲击加载和相变作用下形成,对撞击速度的变化更为敏感;大碎片则是在较低应变率下,因靶材的穿孔损伤造成局部强度下降,在冲击作用下材料沿薄弱处撕裂并脱落而形成。

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,损伤航天器飞行关键系统,进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计,是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟,给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较,模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟,给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响,并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大,弹丸的穿孔能力越强;非球弹丸的撞击方向不同,所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。

超高速撞击压力容器后壁损伤实验及建模研究

采用地面模拟撞击实验与理论分析相结合的手段,对球形弹丸超高速正撞击圆柱形充气压力容器后壁损伤问题进行研究。首先应用二级轻气炮进行压力容器超高速撞击实验,获得了容器后壁损伤特性;然后基于线弹性断裂力学、弹性力学理论,在弹丸不同破碎模式下,将碎片云及气体冲击波对容器后壁的作用简化为局部均布冲击载荷对固支圆板的作用,建立了容器后壁损伤预报模型,并通过与实验结果的比较,验证了模型的有效性。确定了在碎片云与气体冲击波作用下容器后壁产生穿孔和裂纹的临界条件及尺寸;并在考虑容器壁曲率影响的条件下,获得了容器后壁发生灾难性破坏的临界条件。

超高速撞击实验的三级压缩气炮技术

介绍了弹速8km/s、氮气驱动三级压缩气炮技术的研究背景。论述了以三级压缩替代二级压缩在提高氮气驱动多级气炮上限弹速方面的意义。讨论了弹径10mm的57-37-10三级气炮的驱动气压、泵管初充气压与发射弹速及高压气室荷载之间的关系。简述了57-37-10三级压缩气炮主要部件的工程设计,通过实验数据和实物照片表述了57-37-10三级压缩气炮研究工作的进展情况。

5A06铝合金单层板超高速撞击弹道极限分析

日益增长的空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,毫米级空间碎片的防护已成为航天器结构设计必须考虑的问题之一.航天器的蒙皮是抵御空间碎片超高速撞击的最基本防护结构.采用数值仿真并结合试验验证的方法,对5mm厚5A06铝合金单层板承受2A12铝合金球形弹丸正撞击下的弹道极限进行了研究.研究表明,在验证实验速度范围内,数值仿真结果与实验结果吻合良好;使用数值仿真对实验速度以上的区间进行拓展研究,获得了其弹道极限曲线和弹道极限方程;数值仿真和实验结果与已有经验方程对比表明,经验方程与具体材料的弹道极限有较大偏差,因此,应具体问题具体分析.

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果，采用试验和数值仿真手段，对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究，探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g，长径比为5，撞击速度2．5km/s；混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下，房屋结构靶顶层板和底层板被穿透，未发生解体破坏；靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用；速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内；弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高，部分碎片对人员具有较强的杀伤效果，该部分碎片的扩张角为23＆#176;，在底层板上的分布范围大于穿孔大小。

铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

通过超高速撞击试验，获得了铝球撞击铝板反溅粒子云团在250～340nm波段的辐射特征光谱。在该波段辨认出铝原子的六条特征谱线，并对其伴线进行了解耦。根据所测光谱数据，使用多谱线法测量出不同撞击条件下的超高速撞击反溅粒子云团的温度，发现超高速撞击反溅粒子云团温度随弹丸直径和撞击速度的增加而增加；相较弹丸直径，反溅粒子云团温度对撞击速度更加敏感；最后拟合出反溅粒子云团温度与撞击参数之间的经验公式。对每条谱线波峰和整个波段分别进行了积分，研究发现谱线波峰积分强度、整个波段积分强度均与弹丸动能呈线性关系，并获得了谱线波峰积分强度与撞击动能之间的斜率系数，该系数可以表征在超高速撞击条件下该峰值的辐射效率。最后结合所得超高速撞击反溅粒子云团温度经验公式推导出基态原子数与撞击参数之间的关系，在此基础上探讨了超高速撞击反溅粒子云团原子离化率、气化率与撞击参数的关系。