基于分形理论和节点分离有限元的泡沫铝防护结构数值仿真研究(英文)

利用数字图像处理技术对泡沫铝截面的分形特征进行了分析,使用对数线性回归方法计算了泡沫铝的分形维数。Serpinski垫片可以被用于泡沫铝截面建模。通过调整迭代次数和分割参数可以获得不同分形维数、不同相对密度的泡沫铝模型。使用节点分离的Lagrange有限元方法对超高速碰撞过程进行了分析,通过将数值仿真结果与实验结果对比表明了建模方法以及仿真方法的有效性。通过数值仿真,获得了等面密度的铝防护板以及泡沫铝防护板的弹道极限曲线。对比表明,泡沫铝板的防护性能明显优于铝板。泡沫铝材料适合应用于航天器防护。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

靶板抗轮盘碎片撞击能力的数值模拟

为研究机匣抵抗轮盘碎片撞击的能力和破坏方式,找到机匣结构优化设计的方法.用显式非线性动力学软件Dytran计算1/3轮盘碎片与单层和双层靶板的撞击过程.碎片及靶板均选用Johnson-Cook材料本构模型,结合Gruneisen状态方程.撞击过程基于Lagrange算法采用显式有限元计算.结果发现,靶板主要破坏方式为整体塑性变形、剪切撕裂和拉伸断裂;间距较大时双层靶板的弹道极限速度随间距的增加而增大;前靶板厚度比例较小或较大时弹道极限速度较大;单层靶板的抗击穿能力优于厚度均布的双层靶板.因此,通过对双层靶板的厚度和间距进行合理的搭配,能达到比同等厚度的单层靶板更好的抗击穿性能.      

轻型多层异质复合装甲研究进展

针对现代战争条件下轻型装甲车辆对机动性能和防护性能的要求,综述了装甲防护材料的应用现状及其不同应变率下力学性能测试手段,讨论了装甲防护性能评估的实验测试、数值模拟以及理论分析手段,介绍了材料种类、结构形式、分层厚度、约束效应以及层间界面对轻型多层复合装甲防护性能的影响,并提出了未来发展趋势。     

一种耐高温多层热防护结构的优化设计与性能

为解决高速飞行器飞行过程中剧烈的气动加热问题,以“高温防热层+隔热缓冲层+核心隔热层”顺序设计的一体化多层热防护结构的传热过程为研究对象,建立了高温环境下热防护结构内部一维非稳态导热-辐射耦合传热模型,通过数值模拟计算得到了高温环境下热防护结构各层的温度分布。利用不同热防护材料的隔热性能差异,针对构建的热防护结构,提出了在满足一定约束条件下,以轻质多层热防护结构总质量和总厚度为目标函数的优化设计方案,得到了多层结构的最优几何参数,并通过实验考核了优化后热防护结构的防隔热性能。实验表明：该结构可耐受1 473 K的高温1 800 s而背温不超过370 K。     

铝合金表面贯穿式复合涂层设计、制备及性能研究

为了改善航空航天用铝合金的耐磨性能,尤其是保证在使用环境温度升高情况下铝合金的正常使用。本文在机械球磨涂层与基体之间扩散层形成原理的基础之上,设计三维立体状扩散层来增大涂层与基体之间结合性能;采用融合机械球磨、激光织构微孔和电沉积3种技术在铝合金表面制备贯穿式复合涂层,对复合涂层的力学和摩擦学性能进行测试分析。结果表明,电沉积Ni涂层完全覆盖了机械球磨涂层的织构表面,经过热处理后机械球磨涂层和电沉积涂层显微硬度分别约为285和165 HV,并且铝合金基体、机械球磨涂层和电沉积涂层3者界面处形成了三维立体结构扩散层。铝合金在室温情况下摩擦学性能表现正常,但在300℃下出现失效现象。针对4种复合涂层,室温下N150复合涂层的摩擦因数最低(约为0.7);300℃下N100、N150、N200复合涂层摩擦因数约为0.5。两种温度环境下4种样品的磨损率分布在(0.9～1.6)×10^-3mm³/(N·m),N100和N150复合涂层性能表现略好。采用该方法制备的贯穿式复合涂层在室温和300℃环境下有效的保护了铝合金基体,拓宽了铝合金的适用范围。     

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

非相关两点源诱偏反辐射导弹效果分析

在单平面内两点源干扰条件下,推导反辐射导弹跟踪点源能量质心弹道。到达临界分辨角以后,分别讨论临界辨别角、两点源距离以及信干比对于最终攻击弹道的影响。在选择其中一个点源继续攻击时,分别给出了极限条件下最大纠偏距离的计算结果,并比较了分别攻击两点源的弹道要求。仿真表明,在适当的选择临界分辨角和最大机动过载的条件下,该型导弹通过批次攻击可以确保实现对目标和干扰源的有效打击。     

利用金属间化合物增强陶瓷钎焊接头强度

研究了Ag-Cu-Ti/加Ti/N i/Ti复合层钎焊S i3N4陶瓷的接头组织与性能。结果表明,钎缝中形成了以金属间化合物为高熔点相和Ag-Cu作为基体的组织。对界面反应层的观察表明,反应层分为两层结构。保温时间、连接温度、Ti箔和N i箔厚度及Ag-Cu-Ti钎料厚度均能影响接头组织和强度。在本实验范围内,其它参数一定的条件下,分别在30m in,970℃,Ti箔30μm和N i箔60μm及Ag-Cu-Ti片150μm时取得了最大强度值。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

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。     

亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0．6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0．1mm高速弹丸的探测。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

铝-铝超高速碰撞闪光现象的初步实验测量

 为了研究不同碰撞参数条件下超高速碰撞闪光的特点及闪光温度的变化规律,构建了高温计及附属实验测量系统平台,利用该平台进行了超高速碰撞闪光的初步测量。根据Planck辐射的基本理论,对每次实验的碰撞闪光强度进行了4种波长的采集并对温度进行了拟合计算,得到了碰撞闪光温度历史。实验结果表明：对于弹丸、靶板材料均为LY12铝而言,碰撞角度（与靶板平面夹角）相同、碰撞速度在5.35~5.97 km/s范围内时,碰撞速度对碰撞闪光温度影响不明显;然而,碰撞速度相近,碰撞角度越大,碰撞闪光温度越高。     

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。     

薄壁管壳高速正撞击穿孔特性的数值研究

受径向曲率的影响,薄壁管壳遭受高速弹丸撞击产生的局部穿孔毁伤与薄板结构并不相同。本文利用LS-DYNA3D动力学程序,采用光滑粒子流体动力学和有限元法相耦合的方法(SPH-FEM),对球形弹丸高速正撞击不同直径薄壁钢管的穿孔毁伤特性进行数值研究。根据小弹丸高速撞击薄板的物理力学性质,可把穿孔过程简化为初始流动扩孔和随后的惯性扩孔两个阶段,提出一种圆柱管壳高速正撞击穿孔的简化物理模型,并分析圆管直径对轴向孔径和径向孔径尺寸差值比的影响。数值模拟结果表明,撞击速度为2~3 km/s时,薄壁钢管的正撞击穿孔略呈椭圆状,其轴向孔径尺寸稍大于径向孔径尺寸;随着薄壁钢管直径的增加,两个方向的孔径尺寸差值比减小。另外,薄壁钢管遭受小弹丸撞击穿孔后产生碎片云的分布形态受径向直径影响明显,相同撞击条件时,钢管直径越大,则产生碎片云的膨胀角和残余速度也较大。     

200m自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0．5～30kg模型发射速度0．3～5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1．5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0～80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。     

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

通过试验和数值仿真研究铝球以约2．5 km/s的速度撞击球形充水压力容器的撞击特性,容器为先充约80％的水再充2．0MPa氮气的球形不锈钢压力容器。结果表明：超高速撞击充水压力容器的主要损伤为穿孔和爆裂;铝球撞击穿透容器后在水中减速明显,未对容器后壁造成明显损伤;压力容器的工作压力相同时,在相近的撞击参数下,设计压力小的压力容器更易发生爆裂。研究结果可为在轨航天器上的压力容器设计和空间碎片防护提供参考。     

High-velocity impact responses of 2618 aluminum plates for engine containment systems under combined actions of projectile form and oblique angle

Ballistic impact tests were carried out with examined projectiles of the Ti-6Al-4V titanium alloy to investigate the impact response of the 2618 aluminum plates at a nominal velocity of 210 m/s. The influence of projectile forms and oblique angles on damage formation was particularly discussed by applying different loading conditions such as multiple projectile forms and oblique angles. Additionally, the numerical simulation method was employed to provide further insight into the characteristics of damage and target responses. The Johnson-Cook(J-C)constitutive model with revised failure parameters was used to support the simulations to assess target responses and characteristics of the damage created from different impact conditions. Results show that there is a significant transition in the deformation mode as changes of the projectile form are applied. Moreover, the cracks on the back of the 2618 aluminum alloy plates impacted by the solid plate projectile and the hollow blade projectile tend to locate at different positions, which are supposed to be influenced by local bending and stretching. The work in this paper may provide guidance for the design of fan blade containment systems.