弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 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。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,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防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究

 针对空间碎片超高速撞击充气压力容器问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,采用SPH方法对碎片云在高压气体中的运动特性进行了数值模拟研究。在建模过程中,分析比较了材料状态方程对数值模拟结果的影响,并通过与实验结果的比较,选取了适合该问题的状态方程,验证了数值模拟方法的有效性。结果表明：由于容器内压气体的存在,碎片云运动发生减速,并且碎片云的轴向扩展速度相对于碎片云的径向扩展速度减速较慢;高速撞击产生的碎片云与容器内的高压气体发生了强烈的相互作用,碎片云尖端产生的钉状物及高压气体中产生的冲击波是控制容器在撞击后发生进一步破坏的两个重要因素。     

金属圆筒内爆轰波对碰效应的欧拉数值模拟

运用基于Youngs技术的多介质欧拉方法及应用该方法研制的二维多介质弹塑性流体动力学欧拉程序meph2d对金属圆筒内爆轰波相互作用过程进行了数值模拟并获得成功，计算图像与实验照片吻合，计算结果与实验测量结果符合较好。说明采用多介质欧拉方法可以对此类爆轰波相互作用及爆轰驱动问题进行有效的数值模拟。     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 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。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

碎片云动量特性数值仿真研究

 铝合金球形弹丸高速撞击薄铝板时,会造成薄铝板穿孔并自身发生破碎,在铝板前后两侧产生碎片云,分别为反溅碎片云和穿透碎片云。反溅碎片云及穿透碎片云具有各自的动量特性,对其动量特性的研究有助于为碎片云理论建模提供依据。采用AUTODYN V6.0软件对直径为6.35 mm的Al 1100-O球形弹丸高速正撞击6种厚度的Al 6061-T6薄板进行了数值仿真计算,撞击速度为1.0～5.0 km/s。得到上述两种碎片云的动量,确定了动量值随撞击速度v及薄板厚度δ的变化规律。同时,利用仿真得到的动量数据,采用多元回归方法,分别建立了两种碎片云动量模型。最后,对美国国家航空航天局（NASA）报告给出的7种工况下的撞击实验进行了数值仿真计算,并将动量值与实验结果进行了比较,得到的比较结果可用以分析数值仿真的有效性。     

铝弹丸超高速撞击防护结构的研究进展

以空间碎片防护为背景,回顾了超高速铝弹丸正撞击单层和双层铝合金防护结构的研究进展,讨论了目前针对超高速撞击的弹丸发射技术和数值模拟方法(如Euler方法、无网格方法等)的优缺点。数值模拟不仅建立在离散方法上,还需要提供准确的材料本构模型和状态方程。介绍了常用材料模型(包括Johnson-Cook、Steinberg-Guinan模型)和状态方程(包括Tillotson、ANEOS、SESAME、GRAY三相状态方程)。基于实验和数值模拟,目前对7 km/s以下的超高速撞击物理过程已经认识得比较清楚。对单层板,重点讨论了板的穿孔特征和孔径模型;对双层板,除了前板的穿孔外,还讨论了碎片云的分布特征、材料相变、碎片云的相态分布、弹丸形状的影响、碎片云的散布模型以及碎片云对后板造成的破坏特征。最后介绍了工程防护中较为重要的防护结构的弹道极限方程。单层板和双层板的弹道极限方程研究近年来取得了较大进展。本文回顾了国内外常用的弹道极限方程以及近年来新提出的理论模型和基于人工神经网络的模型等。     

三维弹塑性流体力学自适应欧拉方法研究

 研究了三维多介质弹塑性流体力学欧拉数值方法的网格自适应技术,编制了可计算多介质弹塑性流体力学问题的三维自适应欧拉程序,解决了计算弹塑性问题时应用网格自适应方法所遇到的一系列关键问题,如网格细分和合并规则,父网格或子网格物理量的填充,幻影网格的选择、填充及存储方案,插值函数的选择及如何选择时间步长等问题。给出了侵彻、爆轰等弹塑性问题的数值算例,验证了方法的有效性。     

锥形弹丸超高速撞击防护屏的碎片云特性参数研究

空间碎片在撞击航天器防护结构时会产生碎片云,而碎片云又将对航天器造成二次损伤,因此很有必要针对不同形状的空间碎片超高速撞击产生的二次碎片云特性进行研究。选取航空材料Al 2017-T4、Al 2A12作为弹丸和防护屏材料,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D结合光滑质点流体动力学方法,对不同长径比的锥形弹丸分别以锥底和锥尖超高速正撞击单层防护屏薄板所产生的碎片云特性进行数值模拟,得到了碎片云的前端轴向速度、径向直径、轴向长度及穿孔直径等特性参数随弹丸撞击部位及长径比变化的规律。     

缺陷形状对铝材料微喷射的影响

通过二维弹塑性流体力学欧拉程序MEPH,对包含不同形状不同角度缺陷铝材料的微射流现象进行数值模拟,并对其最大喷射速度以及喷射系数进行数值统计,得到不同形状、不同角度缺陷最大喷射速度及喷射系数的变化规律.并将计算结果与实验结果进行比较,基本吻合,能够反映试验规律.     

超高速发射实验模型的数值计算

 采用三阶精度PPM（Parabolic Piecewise Method）方法和VOF（Volume of Fluid）相结合,运用Lagrange-Remapping算法,编制了多介质流体高精度欧拉计算程序MFPPM,可以对多介质复杂流场进行数值计算。对程序计算精度进行了测试,并应用于超高速发射实验模型数值计算,对Sandia实验室不带会聚作用的实验模型进行了一维计算以及带会聚作用的实验模型进行二维计算并与其实验结果和CTH计算结果进行对比,其中一维计算最大相对误差1%,二维计算相对误差4.7%,在此基础上对超高速发射设计模型进行了初步计算。     

超高速碰撞产生磁场的1维模型

 为研究超高速弹丸碰撞靶板产生等离子体诱生的磁场,引用已有关于激光产生等离子体的磁场理论,结合麦克斯韦方程和法拉第电磁感应定律得到了超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的1维理论模型。基于已有关于超高速正碰撞产生半球状等离子体云诱生磁场的偏微分方程,建立了柱坐标系下超高速斜碰撞产生部分椭球状等离子体云的偏微分方程。通过感应线圈进行了磁感应强度的实验测量,实验结果与模型预言表明,该模型可近似地描述超高速斜碰撞产生等离子体诱生的磁感应强度。     

阻抗梯度飞片加载下的超高速发射二维数值模拟方法

阻抗梯度飞片准等熵加载和超高速发射的二维数值模拟,在计算方法上集中体现了多介质、多界面、大变形、高密度比等特点.采用多介质流体高精度PPM计算方法,以VOF为基础研制MFPPM2二维计算程序,数值模拟Sandia实验室的超高速发射实验模型,获得了与Sandia实验室数值计算一致的结果.     

材料特性对爆轰驱动飞层对碰凸起影响的数值模拟

应用多介质弹塑性L-R两步欧拉计算方法,对炸药两端起爆情况下柱面爆轰驱动飞层对碰凸起现象进行了数值模拟。在飞层为铅材料情况下,给出了铅飞层熔化区域及断裂图像,将对碰凸起计算结果与实验X光图像进行比较的基础上,进一步探索凸起现象的形成机制。从材料的熔点、弹塑性、密度、声速等方面对金属飞层对碰区凸起的影响进行了分析。综合分析几个计算模型的数值模拟结果,初步认为:材料强度大、密度大、熔点高能使飞层对碰凸起钝化,而材料声速较小会造成对碰区波系关系发生变化且正压作用时间增加,从而形成较严重的对碰凸起,材料声速大小对对碰凸起的影响较强度、密度等因素更明显。     

超高速碰撞碎片云特征的SPH方法数值分析

 采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对不同形状的弹丸超高速碰撞形成的碎片云特性作了模拟分析,给出了靶孔直径和碎片云宽度随碰撞速度的变化规律、同一速度下不同形状的弹丸累积碎片分布规律、同种弹丸不同速度下的累积碎片分布规律、弹丸初始半径范围内的碎片云无量纲向前总动量M_D/M₀随膨胀距离L_E的变化以及碎片云前端速度的变化规律等。通过数据拟合,进一步给出了累积碎片百分数与碰撞速度和碎片质量的近似函数关系,计算表明该函数关系与数值结果吻合的很好。     

电子束辐照效应的数值模拟

论述了电子束辐照材料时的能量沉积Monte-Carlo计算,在此基础上,与弹塑性流体力学方程组相结合,给出电子束激发的热一力学效应的数值模拟方法.对一系列电子束打铝靶实验进行了实际计算,得到与实验比较一致的结果.     

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10 km/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5.6 km/s时的防护屏穿孔直径分别为9.02 mm和9.34 mm,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。     

L-R两步欧拉方法在铝材料微喷射中的应用

应用三维弹塑性流体力学Lagrangian-Remapping两步欧拉计算方法对铝材料微喷射现象进行了数值模拟研究。计算了Asay实验中表面刻有相同深度、不同夹角沟槽的金属铝微喷射模型,计算得到的微喷物总质量、最大射流速度和实验结果均符合较好。进一步展开了对相同深度、更大夹角范围沟槽微喷射的数值模拟。分析认为喷射最大速度随沟槽角度的增大呈线性下降趋势。同时给出了喷射系数随沟槽角度的变化的拟合关系曲线,看到由于材料强度及沟槽角度变化后造成的波系关系变化的影响,随着沟槽角度增加,喷射系数曲线呈明显非线性发展。     

电炮加载下靶板的高速摄影技术研究

叙述高速摄影在电炮加载多层铝板实验中的应用情况,用普通高速摄影技术和激光阴影摄影首次得到双层和三层铝板在Mylar膜飞片碰撞靶板后形成碎片云的变化图像和靶板表面的微物质喷射发展过程,观察改变起爆系统充电电压、靶板厚度及靶板之间距离等不同条件下的高速碰撞现象,初步得到碎片云和微物质的运动速度等实验结果。     

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。     

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。