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°,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

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。     

Whipple防护结构超高速撞击极限分析

空间碎片的超高速撞击可能导致航天器发生严重的损伤甚至灾难性的失效,由于近地轨道上空间碎片的增加导致航天器的安全受到严重威胁,必须设置防护结构予以防护。本文从动力学分析入手,初步建立超高速撞击时Whipple防护结构的撞击极限方程,得到了与撞击极限相关的参数以及参数之间的关系,为实验提供基础。本文方程得到的撞击极限曲线与已有方程的撞击极限曲线吻合较好。     

水滴撞击冻结过程的数值模拟研究（英文）

利用发展起来的数值算法模拟了微尺度水滴在冷表面上的撞击冻结过程,采用格子玻尔兹曼通量求解器计算流场,应用相场方法追踪水气界面,基于焓模型确定冰水界面。通过与实验对比水滴在表面上撞击冻结过程中的外形,验证了数值方法的准确性与可靠性。本文研究水滴动态冻结过程时考虑了水滴尺度、撞击速度及冷板温度3个因素的影响。结果表明,水滴底部冻结限制了水滴在表面上铺展后的弹跳过程,可能形成帽子状的形态。水滴撞击速度增加,冰层在水滴径向上发展更快,水滴与表面间的传热增强。另外,温度控制着水滴中心的动力学过程,当表面温度更低,水滴可能会在中心出形成凹坑。通过对水滴内部温度分布情况分析可知,热流密度随着离冷表面距离的增加而降低。随着结冰增长,水滴轴线上逐渐降低的温度与冷表面温度呈非线性关系,表面温度越低,由于温差增加,冰层内部的无量纲温度变得越低。     

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。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性,设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法,并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验,测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像,对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分...     

标准孔板流量计内部流场的CFD数值模拟

通过在标准孔板流量计中引入CFD数值模拟,为流出系数的获取提供了新途径.对不可压缩流体在不同流量、不同直径比、不同孔板轴向厚度和不同流动介质下的内部流场进行了数值模拟计算,并将计算出的流出系数与根据ISO公式计算出的流出系数进行了分析对比.结果表明,随着结构参数和工作条件的改变,流出系数都会随之发生变化,但ISO公式对孔板厚度的变化不太敏感.CFD数值模拟可以作为标准孔板流量计的辅助设计与标定手段,以进一步提高孔板流量计计量的准确性.     

联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔流动特性影响的数值模拟

开展了联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔冷态流场特性影响的数值研究,结果表明：联焰板的流向长度存在两个临界值：Lc1=1 mm 和Lc2=9 mm,当联焰板的流向长度小于等于临界长度Lc1时,主流会卷入凹腔中,凹腔中无法形成双涡结构;当联焰板的流向长度大于临界长度Lc1小于等于Lc2时,凹腔中可以形成双涡结构,但仍有部分主流会卷入凹腔中;当联焰板流向长度大于Lc2时,凹腔中可以形成双涡结构, 主流几乎不会卷入凹腔中。     

几种靶板的撞击加速度和极限速度的试验研究

研究结构受撞击时的强度应当知道撞击过载和极限速度。对撞击过载和极限速度进行了试验研究。试验分两种情况,一种弹丸为φ10的铜球和圆柱,靶为钢板、铝板和玻璃钢板,弹丸速度为600—800m/s;一种弹丸为带卵形头部的长圆柱,靶为混凝土,弹丸速度为350—600m/s。应用相似理论,模型试验结果在设计中可以参考使用。     

MTPS金属蜂窝夹芯结构尺寸效应的数值分析

金属蜂窝夹心结构是可重复使用金属热防护系统的主要子结构,优化其结构参数,是提高设计质量的重要环节。根据修正Gibson公式与最小势能、余能原理推导出蜂窝夹芯层的9个等效弹性参数。考虑金属蜂窝夹心结构总质量与沿厚度方向的挠度值多指标要求,采用有限元正交数值迭代模拟方法,对结构的尺寸效应进行分析,并优选出良好的结构参数。分析结果表明：影响最大的结构参数依次为金属蜂窝的高度、蜂窝的壁厚、面板厚度及蜂窝内切圆直径。     

空间碎片超高速碰撞问题的SPH方法模拟

采用Tillotson物态方程和Steinberg-Cochran-Guinan(SCG)本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法对铝质球形弹丸和柱状弹丸超高速撞击薄铝靶作了数值模拟.对于球形弹丸,通过对比实验结果和计算结果,二者吻合得较好,表明SPH方法能很好地模拟弹丸超高速碰撞问题及碎片云的形成过程.不同长径比的柱状弹丸45o斜碰撞碎片云前端均有一个近似锥形的突出,随着碰撞倾角的增大,突出的锥形前端逐渐消失,喷射角迅速增大,当碰撞倾角达到75o时绝大部分弹丸质量发生了跳弹.比较三种弹丸,长径比大的弹丸对靶板的破坏能力更强.     

复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究

采用两种有限元模型和工程方法分别对复合材料蜂窝夹层结构在压缩、剪切载荷作用下的总体稳定性进行了计算,根据各计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:对于承受压缩载荷的结构,采用工程计算法能够较好的预估结构的屈曲临界载荷,而对于承受剪切载荷的结构,采用三维有限元法能较好的计算结构的屈曲载荷。     

复合材料蜂窝夹层进气道结构优化设计方法

研究了一种以全局响应面算法为基础的复合材料蜂窝夹层结构进气道优化设计技术。该技术以复合材料蜂窝夹层进气道结构为研究对象,以结构重量最轻为目标,结合工程实际生产工艺和复合材料结构设计一般原则,使面板各方向角铺层厚度和蜂窝芯材厚度均选用离散变量,同时约束复合材料蜂窝夹层结构的各种失效模式以及进气道工作环境的频率需求。最后通过算例验证了此优化设计方法的可行性。     

飞机风挡结构抗鸟撞动响应数值模拟

建立了包括玻璃骨架、弧框和垫片在内的飞机风挡结构抗鸟撞动响应分析三维有限元模型,建立了风挡材料的破坏准则,利用非线性有限元分析程序LS-DYNA模拟了风挡结构的抗鸟撞动响应过程,结果表明玻璃骨架和弧框对鸟撞后其结构特征参数的影响较大。利用区间逐次分半法,确定了风挡结构的安全临界速度和弧框开始屈服的临界速度,模拟结果为该风挡的改进和鸟撞试验提供了依据。     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3~10km/s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0.2~10km/s速度范围内可实现直径为0.1mm量级粒子的有效探测.     

超高速碰撞碎片云的激光阴影照相技术

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性，在中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞靶上建立了激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪和成像系统组成，在采用补偿式滤光等技术后，获得了撞击速度v≈6km／s时清晰的碎片云图像。本文对该系统的工作原理、系统构成以及调试情况进行了介绍。试验结果表明：(1)该系统可以获得清晰的超高速碰撞碎片云图像；(2)扩束镜、成像物镜质量本身是影响碎片云激光阴影成像质量的主要因素；(3)各光学元件的不同结构及不同放置也会严重影响阴影成像质量。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.