光滑粒子法及泡沫鋁空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊行為.pdf

1、隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重地威脅著在軌航天器的安全運(yùn)行。空間碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞擊現(xiàn)象，對(duì)于毫米級(jí)空間碎片，采用設(shè)置防護(hù)屏的防護(hù)結(jié)構(gòu)方案被證明是現(xiàn)實(shí)有效的措施。航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性是航天器空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了降低防護(hù)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，開(kāi)發(fā)新型航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)方案是十分必要的。以航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為工程應(yīng)用背景，本文編制了三維/二維光滑粒子法(S

2、PH)程序，并對(duì)計(jì)算效率和拉伸不穩(wěn)定進(jìn)行了改進(jìn)，用于超高速撞擊數(shù)值模擬研究。泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)是目前空間碎片防護(hù)研究的一個(gè)前沿，其潛在的應(yīng)用前景引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，論文中對(duì)泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能及優(yōu)化進(jìn)行了研究。
　　相對(duì)有限元方法，無(wú)網(wǎng)格方法在模擬大變形問(wèn)題時(shí)（例如高速撞擊、爆炸、侵徹、裂紋等問(wèn)題）具有明顯的優(yōu)勢(shì)。SPH方法是目前一種廣泛使用的無(wú)網(wǎng)格方法。本文介紹了SPH方法的基本理論，推導(dǎo)了函數(shù)核估計(jì)值和函數(shù)導(dǎo)數(shù)核估計(jì)值的通用表

3、達(dá)式，詳細(xì)闡述了SPH方法離散化介質(zhì)力學(xué)守恒方程組的主要過(guò)程，給出了守恒方程的各種離散格式和計(jì)算流程，此外還介紹了SPH數(shù)值算法的一些相關(guān)問(wèn)題：光滑核函數(shù)特性、固定邊界與虛粒子、人工粘性、人工熱流、本構(gòu)關(guān)系、狀態(tài)方程、屈服模型、光滑長(zhǎng)度選取及時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算等問(wèn)題。
　　無(wú)網(wǎng)格方法的計(jì)算效率普遍低下，由于SPH方法采用了配點(diǎn)法作為離散方案、核函數(shù)法作為近似方案，所以效率相對(duì)較高，但與有限元法相比依然較低，而且還存在拉伸不穩(wěn)定的問(wèn)題。

4、臨近粒子搜索算法決定了直接SPH方法的計(jì)算效率，現(xiàn)有的算法難以應(yīng)用于大計(jì)算域、大量粒子的問(wèn)題。SPH方法的拉伸不穩(wěn)定問(wèn)題雖然得到了改進(jìn)，但并沒(méi)有很好解決。本文提出了多級(jí)動(dòng)態(tài)分配鏈表搜索法作為臨近粒子搜索方案，理論上可對(duì)任意數(shù)量的粒子實(shí)現(xiàn)高效搜索；為了進(jìn)一步解決拉伸不穩(wěn)定問(wèn)題，本文提出了一種人工力的方法，并將該力與人工粘性力結(jié)合起來(lái)形成了一種張量形式的人工力；為了使超高速撞擊后靶板的界面清晰，便于查看損傷情況，本文提出了SPH物體分塊條件

5、。
　　基于上述改進(jìn)，編制了二維軸對(duì)稱(chēng)和三維SPH數(shù)值模擬程序，為進(jìn)行超高速撞擊的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)與A.J.Piekutowski超高速撞擊實(shí)驗(yàn)的比較，驗(yàn)證了二維軸對(duì)稱(chēng)與三維SPH程序的有效性。
　　泡沫鋁是一種新型航天器防護(hù)材料，其潛在的應(yīng)用前景引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文模仿泡沫金屬的制造過(guò)程，提出了一種適用于無(wú)網(wǎng)格方法的泡沫金屬微結(jié)構(gòu)幾何建模方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較驗(yàn)證了該建模方法的有效性。在此

6、基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了夾層和填充泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線(xiàn)并進(jìn)行了比較。
　　利用自行編制的三維SPH程序和提出的泡沫金屬模型對(duì)泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)不同形式的填充泡沫鋁Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)和填充實(shí)心鋁板Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬和比較，獲得了優(yōu)化的填充泡沫鋁Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)形式；通過(guò)模擬不同平均孔徑和不同相對(duì)密度的泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均孔徑較小、相對(duì)密度為27％左右時(shí)防護(hù)效果更佳；通過(guò)對(duì)不同面密度、

7、不同防護(hù)間距泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬，發(fā)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)面密度的增加對(duì)防護(hù)效果的影響顯著，且在較高撞擊速度時(shí)防護(hù)間距的增加對(duì)防護(hù)效果的影響較為明顯。根據(jù)這些結(jié)論，獲得了優(yōu)化的填充泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬得到了它的撞擊極限曲線(xiàn)并發(fā)現(xiàn)：與網(wǎng)格雙防護(hù)屏和多層Nextel等防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)防護(hù)效果優(yōu)異。通過(guò)對(duì)填充泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)和填充實(shí)心防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬和分析發(fā)現(xiàn)：泡沫鋁對(duì)小尺寸碎片的防護(hù)效果顯著，因此不應(yīng)將泡沫鋁放置在防護(hù)結(jié)構(gòu)的第一層；泡沫鋁置后從而能