铝球弹丸超高速正撞击铝Whipple防护结构舱壁的损伤分析

低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击,导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。采用实验和数值仿真方法,对铝球弹丸超高速正撞击铝合金Whipple防护结构的舱壁损伤特性进行了研究,从而模拟空间碎片对航天器舱壁的超高速撞击作用,并利用AUTODYN-2D软件获得的仿真结果与实验结果进行比较,二者具有较好的一致性。分析了铝合金Whipple防护结构舱壁撞击损伤随弹丸直径、撞击速度和防护间距变化的规律,指出影响舱壁撞击损伤特性的主要因素。     

铝球超高速撞击防护屏的数值模拟研究

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究,将计算结果同相应的实验结果进行了比较,二者符合得很好.说明SPH方法能够较好地处理超高速撞击问题,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性.在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料强度模型等因素对防护屏穿孔直径和碎片云长径比的影响规律,并以防护屏穿孔直径和碎片云长径比为指标,应用正交设计方法分析研究了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径3因素对指标的影响主次关系.研究表明:铝球直径是影响防护屏穿孔直径的主要因素,防护屏厚度是影响碎片云长径比的主要因素.     

含能材料防护屏在球形弹丸超高速撞击下的穿孔特性研究

以空间碎片防护设计为工程应用背景,将亚稳态含能材料应用于空间碎片防护结构。利用二级轻气炮对聚四氟乙烯/铝（PTFE/Al）含能材料防护结构进行了不同面密度、不同弹丸直径、不同速度的超高速撞击实验,获得了撞击过程中的高速摄像图片及光学高温计信号。分析结果表明,含能材料防护屏超高速撞击瞬间发生了可靠的冲击起爆反应,根据反应度的不同可分为冲击爆轰区、破碎爆燃区、零反应破碎区3个区域。基于实验结果,建立了铝合金弹丸超高速撞击PTFE/Al含能材料防护屏穿孔直径的无量纲经验公式。利用实验与分析结果验证了数值模拟的有效性,获得了环境温度对PTFE/Al含能材料防护屏超高速撞击穿孔特性的影响规律。     

超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性

在超高速碰撞下,波阻抗梯度材料能使弹丸的动能更多地转变为靶板材料内能,使其发生熔化、气化等相变,分散和消耗弹丸的动能,进而实现航天器对空间碎片的防护.以钛、铝、镁3种材料组成的波阻抗梯度材料为研究对象,借助于光滑粒子流体动力学数值模拟方法,采用Til-loston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型,给出...     

薄板超高速撞击特性数值仿真研究

文中利用数值仿真方法研究薄板超高速碰撞问题,主要分析了铝球对薄铝板（0．11〈t／d≤0．70）在3-6km／s的正向撞击速度下产生的碎片云规律。给出了穿孔直径,发散角度和碎片云特性与撞击速度和弹靶条件的关系,建立了描述这些特征量的公式．为碎片云的建模提供了快速有效的途径。     

高强高模聚乙烯复合材料超高速碰撞实验研究

高强高模聚乙烯(UHIMPE)复合材料具有许多优异性能,在航空航天领域有着广泛的应用前景。利用二级轻气炮,开展了UHIMPE复合材料Whipple防护结构超高速碰撞实验,并与相同面密度的硬铝2A12进行了对比,对前板开孔和后板破坏情况进行了测量和观察。根据实验结果定性分析了UHIMPE复合材料防护结构弹道极限曲线的走向。实验结果表明,UHIMPE复合材料不能更有效地破碎弹丸,有着比硬铝2A12更差的防护性能。     

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。     

航天器防护结构弹道极限数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格SPH数值技术, 对遭遇速度为(2～11)km/s条件下球形铝弹丸正碰撞Whipple防护结构的弹道极限(临界弹丸直径)进行了数值模拟.结果表明,数值模拟结果与实验值相当吻合,且弹道极限随碰撞速度增大呈现为三种不同的变化趋势.当碰撞速度V≤3km/s或V≥7km/s时,临界弹丸直径随碰撞速度增大而减小;当3km/s<V<7km/s时,临界弹丸直径随碰撞速度增大而增大.     

类钢密度活性材料弹丸撞击铝靶行为实验研究

采用弹道碰撞实验对类钢密度冷压成型和烧结硬化聚四氟乙烯/铝/钨系活性材料弹丸撞击铝靶行为进行了研究。基于圆柱形活性材料弹丸正碰撞不同厚度2A12硬铝靶的弹道极限速度、穿孔破坏模式及平均穿孔尺寸实验结果,结合THOR侵彻方程,得到活性材料弹丸正碰撞铝靶的弹道极限速度半经验关系,并分析铝靶厚度对活性材料弹丸相对于钢弹丸侵彻行为及性能的影响。从活性材料内部压力分布、靶板背面稀疏波卸载效应和活性材料激活响应点火时间等角度,分析和讨论了活性材料弹丸化学响应行为对侵彻性能的影响机理。分析结果表明,随着靶板厚度的增大,活性材料激活率和侵孔内爆燃压力随之提高,从而导致侵彻末端爆裂穿孔能力的显著增强。     

反弹道斜撞击下自由梁结构响应研究

反弹道撞击实验在材料与结构动力学响应研究领域中已有广泛应用,相比正向撞击实验,反弹道实验可在自由梁上加装测量装置,得到更精确的测试结果。开展了自由梁20°斜撞击的反弹道实验,使用数字图像相关方法测试了弹体的实时动态响应情况,引入失效判据,并结合数值模拟分析,求解了轴向与横向载荷交互作用下的自由梁弯曲形貌。结果表明：考虑轴向力的计算结果与实验吻合较好,且优于文献［4］给出的自由梁计算模型;当质量比m_γ≥10时,正反弹道具有较好的等效性,该方法亦可用于求解弹体在非正侵彻过程中的结构响应。     

超高速碰撞产生的碎片云研究进展

弹丸超高速撞击薄板后破碎形成碎片云,被应用于空间碎片防护设计。针对薄板超高速正撞击情况下产生的碎片云进行分析,梳理了主要研究进展及不足,按碎片云形成过程、碎片云分布特性、碎片云模型和碎片云侵彻性能4个部分进行了阐述。综合评述了近30年碎片云研究的进展,提出了未来研究发展趋势和若干建议,以供相关领域研究者参考。     

冲击载荷作用下多孔材料符合结构防爆理论计算

多孔材料具有减震和吸收冲击能量的特点，但是单一的多孔材料强度较低，为降低爆炸冲击载荷对结构的破坏，在混凝土墙壁或者两层装甲钢板中间添加一层或者几层多孔吸能材料（多孔聚氨酯、泡沫铝、铁等）构成多层复合抗爆结构，实现防爆和衰减冲击波的功能。当炸药爆炸驱动飞片高速冲击多层复合结构时，多孔材料产生塑性变形被压实。由于多孔材料冲击波阻抗很低，能够大大地削减应力波的强度。在这个过程中，飞片的冲击能量被减小，和单层结构相比，防爆能力被提高。为研究多层复合结构的防爆机理，应用冲击载荷下的材料动态本构关系，对冲击波在“钢板一多孔材料一钢板”3层介质中的传播规律和各层介质中的冲击载荷进行甘算，并对应力波在多孔材料复合结构中的衰减变化过程进行一维理论分析。     

超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究

为了研究深空未知物质的元素组成,利用瞬态光谱测量系统和二级氢气炮加载系统,进行了球状铝弹丸超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究,得到了多组碰撞角度相同,碰撞速度不同的元素光谱图;实验结果表明：碰撞光谱的元素组成与弹靶的物质成分基本一致;不同碰撞速度所产生的碰撞光谱及特征一致,但光谱辐射强度不同,碰撞速度越高,各元素的光谱辐射强度越强;瞬态光谱测量系统和二级氢气炮加载系统是测量超高速碰撞光谱的有效手段。     

初始裂纹对高聚物粘结炸药低速撞击点火影响数值模拟研究

应用Visco-SCRAM模型和热点模型研究初始裂纹对奥克托今基(Octogen,HMX)高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)炸药低速撞击点火的影响,主要针对标准低速撞击Steven试验进行模拟,分析初始裂纹尺寸和初始裂纹非均匀分布对PBX炸药内部温升及热点形成的影响。计算结果表明,随着初始裂纹尺寸的增加,HMX基PBX炸药内部裂纹表面的摩擦生热增强,导致其内部温升明显,更容易形成热点。当初始裂纹尺寸从1 mm增加到3 mm时,点火速度阈值从45 m·s~(-1)降低到38 m·s~(-1)。考虑初始裂纹非均匀性影响,在低速撞击过程中,PBX炸药内部温升区域发生明显的改变。而且,初始裂纹非均匀性有利于PBX炸药低速撞击过程热点形成,并导致点火速度阈值降低。当初始裂纹尺寸服从均匀分布U(0.8,1.2)时,点火速度阈值为36 m·s~(-1)。当初始裂纹服从正态分布N(1,0.115)时,点火速度阈值为31 m·s~(-1)。     

铜筋混凝土梁在低速冲击下的计算方法

总结和分析了钢筋混凝土梁在低速冲击下的局部与整体变形和破坏特征，考虑冲击体头部形状影响的局部效应，研究以弯曲理论为基础，考虑钢筋混凝土梁的裂缝形成（准弹性阶段）和破坏（塑性阶段）的计算方法，通过建立简化计算模型，得出了钢筋混凝土梁在低速冲击下的计算公式。     

低温下聚碳酸酯冲击拉伸性能的实验研究

为了研究聚碳酸酯在低温条件下的力学行为,在冲击拉伸试验装置上对聚碳酸酯板进行了不同环境温度下的高应变率单向拉伸实验,获得了-60℃、-20℃和室温下应变率为360 s-1、800 s-1和1 700 s-1的拉伸应力应变曲线。试验结果表明,在实施的温度范围内,随着温度的升高,聚碳酸酯的屈服应力和失稳应变都有不同程度的减小;在同一实验温度下,随着应变率的增加,屈服应力和失稳应变均增大,呈现高速韧性的特征。