Finite element reconstruction approach for on-orbit spacecraft breakup dynamics simulation and fragment analysis

Breakup model is the key area of space debris environment modeling. NASA standard breakup model is currently the most widely used for general-purpose. It is a statistical model found based on space surveillance data and a few ground-based test data. NASA model takes the mass, impact velocity magnitude for input and provides the fragment size, area-to-mass ratio, velocity magnitude distributions for output. A more precise approach for spacecraft disintegration fragment analysis is presented in this paper. This approach is based on hypervelocity impact dynamics and takes the shape, material, internal structure and impact location etc. of spacecraft and impactor, which might greatly affect the fragment distribution, into consideration. The approach is a combination of finite element and particle methods, entitled finite element reconstruction (FER). By reconstructing elements from the particle debris cloud, reliable individual fragments are identified. Fragment distribution is generated with undirected graph conversion and connected component analysis. Ground-based test from literature is introduced for verification. In the simulation satellite targets and impactors are modeled in detail including the shape, material, internal structure and so on. FER output includes the total number of fragments and the mass, size and velocity vector of each fragment. The reported fragment distribution of FER shows good agreement with the test, and has good accuracy for small fragments.     

月球着陆器着陆腿非线性有限元建模与仿真

为了准确地预测着陆冲击过程中着陆腿的载荷缓冲和吸能性能用于指导着陆缓冲机构的设计和优化,采用非线性有限元方法进行着陆冲击动力学仿真.建立了单腿着陆冲击有限元模型,采用ABAQUS/Explicit显式动力学程序作为求解器.为提高计算效率,采用了质量缩放技术.对2个单腿着陆冲击工况进行了动力学仿真分析,通过与试验数据的对比证明了分析结果的正确性.分析结果表明:非线性有限元模型可以综合考虑各种非线性因素的影响,能较准确地预测着陆腿着陆缓冲性能;着陆腿的弹性对套筒间的摩擦力有较大的影响,增大着陆腿刚度可以减小摩擦力.     

基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

使用超高速碰撞数值仿真技术,结合自主开发的碎片识别统计方法,以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例,进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析.通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法,从图形角度识别出碎片云中的大碎片,然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计,提取出了碎片数目...     

超声冲击处理对2A12铝合金焊接接头疲劳性能的影响

采用超声冲击处理方法对2A12铝合金焊接接头进行全覆盖强化处理.通过弯曲疲劳对比试验,建立了未处理与超声冲击强化处理铝合金焊接接头试样的S-N曲线,分析了超声冲击处理对铝合金焊接接头疲劳性能的影响;通过接头组织、残余应力和断口形貌分析了超声冲击处理提高铝合金焊接接头抗疲劳断裂性能的微观机理.结果表明,超声冲击处理使2A...     

复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法

基于赫兹接触定律,建立了复合材料层板低速冲击模型,在此基础上提出了复合材料层板冲击后永久凹坑的理论计算方法。通过对T700/5428和T300/5428两种材料层板低速冲击永久凹坑计算结果与试验结果的对比,证实了这种方法在较小冲击损伤情况下的可行性与有效性。通过这种方法,可以为复合材料冲击性能的预测提供一种参考。     

基于流固耦合的实体元空心叶片鸟撞数值模拟

针对通用流固耦合算法在模拟实体元结构破坏上的不足,以MSC.DYTRAN软件为平台,研究了不考虑和考虑失效的实体元平板叶片流固耦合数值模拟方法。在此基础上,建立了实体元空心叶片鸟撞瞬态动力学有限元模型,计算分析了叶片在稳定旋转状态下遭受不同密度、长度、半径及速度鸟体撞击下的叶片应力的瞬态响应,计算表明：上述参数值增加均会增大叶片的应力峰值,并且对应力峰值的影响都不是线性的。最后模拟了叶片的失效过程。     

一种弹目遭遇点预测方法

为充分利用舰空导弹中制导段所获信息并减小导弹中制导段的弹道曲率,给出一种弹目预测遭遇点的解算方法,并据此设计比例导引制导律。在初始发射坐标系中,假设目标由当前位置以当前速度大小沿当前速度方向匀速运动至遭遇点,导弹由当前位置以当前速度大小按照一定的导引规律匀速运动至遭遇点。在该假设条件下,导弹到达遭遇点的总航路大小一方面...     

复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究

为探讨由SW100/5228A玻璃纤维编织（GFRP）层板与CCF-1/5228A碳纤维复合材料（CFRP）层板以不同比例组成的功能梯度板的吸能性能,用重量80g直径23mm的弹丸对六种比例组成的功能梯度板进行了速度约70m/s的弹道试验。对弹击后的试样进行了损伤分析和剩余强度试验,通过C扫描发现,大面积损伤往往发生在...     

结合响应面法与网格法的低速翼型优化设计

本文首先了介绍响应面法和网格法的基本原理,翼型绕流场分析使用有限体积法空间离散和RUNGE-KUTTA时间迭代格式进行N-S方程计算,由翼型表面压力和摩擦力数值积分得到升力和阻力.然后,以NACA0012和GAw-1为算例,结合响应面法和网格法进行低速翼型的减阻优化设计,算例表明:在应用响应面法进行低速翼型优化时,采用...