模拟弹塑性碰撞的修正SPH方法

从基本的无网格光滑粒子法SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)近似出发,修正了模拟固体力学中大变形弹塑性碰撞的SPH方法.在边界处采用修正的边界条件,弹塑性分析过程中采用增量理论计算应力,迭代过程中用守恒光滑法进行滤波修正消除拉力不稳定.对SPH方法进行了程序实现,给出了杆弹塑性碰撞的算例.计算分析表明,SPH方法节点的影响域较大、精度较相同节点间距有限元法的结果有一定差距,但是通过增加粒子数量可以提高SPH的精度,保持了其简单性和计算大变形的特性.      

空间碎片超高速撞击动力学建模与数值仿真技术

阐明了空间碎片超高速撞击数值仿真技术研究的目的、意义和国内外发展状况 ;重点论述了空间碎片超高速撞击数值仿真技术的主要研究内容、技术指标和具体实施途径 ,从而为研究的深入开展提供了技术依据和指导原则     

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SP H)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂 窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结 合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了APDL生成蜂 窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度 的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂 窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超 高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较 接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.      

空间碎片预警中的碰撞概率方法研究

由于空间碎片对飞行在地球轨道上的航天器危害日益严重,所以必须采取一些有效的防护措施,对于那些直径大于10 cm的碎片,通常是采用主动规避的方法来进行防护.为了避免传统的Box判据造成的过多错误预警,碰撞概率模型开始被应用于空间碎片预警,本文以空间站为例,将碰撞概率方法与传统Box区域判定法进行比较,介绍碰撞概率计算模型的建立方法,基于位置误差矩阵的碰撞概率Pc的算法,并针对实际交会事例进行了计算和分析.     

无碰撞激波的理想MHD模拟

采用了WENO格式数值求解一维理想MHD方程组,模拟了行星际无碰撞激波,研究了垂直无碰撞激波与行星际反向磁场结构和高密度等离子体团的相互作用过程,并与粒子模拟的结果进行比对,两者的结果非常类似.模拟结果表明,对涉及无碰撞激波的大部分现象中理想MHD模拟是准确且可行的,同时相对于粒子模拟又有很好的计算效率,便于扩展至二维或三维的情形.     

超高速流动模拟及热化学反应模型对比研究

超高速流动是飞行器再入大气层时所面临的高速高温流动环境,膨胀管是少数几种能模拟超高速流动的地面设备之一。采用数值模拟方法对超高速试验进行辅助分析诊断,流动模拟时热化学反应模型的选择对流场特性影响较大,分别选择5组分、11组分热平衡及5组分热非平衡模型,对比研究3种不同热化学反应模型对双楔试验模型数值模拟结果的影响,以进一步评估超高速流动模拟时热化学反应模型的适用范围。结果表明,试验气流条件下5组分化学模型即可满足要求,加速气流条件则必须采取11组分化学模型,而对于流动中热非平衡效应显著时,热化学非平衡模型更为适用。     

空间飞行器碎片防护结构的简化设计

给出一种基于实验和理论分析的航天器碎片防护结构简化设计方法 ,该方法可用于进行大型空间飞行器碎片防护结构的方案选择和初步结构设计。利用空间碎片的工程环境模型和防护结构几何经验公式 ,采用“设计碎片”的概念 ,对防护结构进行几何结构设计和质量估算 ,并采用改进的防护性能验证算法进行空间碎片的风险评估。通过对惠式防护结构的计算 ,得到的计算结果基本符合实际要求。     

空间碎片环境与碰撞预警仿真系统设计

在轨编目航天器数目已超过了9000,为了保证航天任务的顺利完成,必须对可能威胁到任务轨道的空间目标进行分析.文章首先对两行轨道根数和SGP4/SDP4轨道预报模型进行了分析,在此基础上建立了空间目标数据库及空间碎片环境与碰撞预警仿真和数据可视化系统.     

高速撞击充气压力容器前壁损伤数值模拟

针对空间碎片超高速撞击充气压力容器前壁损伤问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN采用拉格朗日方法对球形弹丸撞击球形压力容器前壁穿孔进行了数值模拟研究。在建模过程中通过对容器壁内侧施加压力边界条件来模拟由于内充气体的作用在容器壁内产生的应力场,并通过与试验结果的比较验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上针对容器的内充气体压力、球形弹丸直径及撞击速度对充气压力容器前壁穿孔的影响进行了研究。结果表明:在一定的气体压力下,气体压力对压力容器前壁穿孔直径与穿孔形态的影响可以忽略不计;而撞击速度及弹丸直径对穿孔直径及穿孔形态有着较大的影响,当撞击速度大于3km/s时,撞击穿孔边缘开始有裂纹产生,并且穿孔直径与裂纹直径随着弹丸直径及撞击速度的增加而增大。利用压力容器前壁穿孔的数值模拟结果进行计算可以得出当容器受到撞击速度大于3km/s的弹丸撞击后比撞击速度不大于3km/s时更易发生破坏。     

Euler方程数值模拟绕悬停旋翼桨叶的流动

本研究应用格心格式有限体积龙格－库塔时间推进法求解三维欧拉方程,模拟绕旋翼桨叶的流动,民流的作用通过自由尾流分析来求解局部的诱导下洗速度以修正翼型攻角,选择Ｏ－Ｈ型式生成绕桨叶贴体的弦向和展向网格,通过算为进一步寻求有效的Ｅｕｌｅｒ或ＮＳ方程数值解积累了经验。     

无网格SPH法中守恒光滑法的修正

守恒光滑法CSA(Conservative Smoothing Approach)是解决传统SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法稳定性问题的一种很有效的方法.研究发现在SPH法中运用所谓的守恒光滑法并不能保证系统的总物理量(质量、动量或者能量)在每个时间步均守恒,而是随着时间在理论值附近波动,对计算结果的精度有一定的影响.对此提出了守恒光滑法的修正公式,对SPH控制方程得到的各个粒子的物理量进行CSA光滑,然后运用文中提出的CSA的修正公式把对该粒子物理量的改变量加权平均给邻域内各个粒子,从而确保了SPH算法中系统的总物理量(质量、动量以及能量等)在每个时间步均守恒,而且由于减少了CSA对SPH得到的各个粒子物理量的过分光滑,从而提高了计算精度.物理意义、理论推导以及文中的算例均证明了这种修正的有效性.     

基于缩放实验的Whipple结构撞击特性

针对航天器空间碎片防护问题,基于缩放实验方法,开展了7 km/s以上超高速碰撞仿真研究.建立了单板和Whipple防护结构的仿真模型,并对铝-铝撞击问题和镉-镉撞击问题进行了多工况仿真.通过实验结果与数值仿真的对比,表明了数值仿真技术的正确性,并从仿真角度验证了缩放实验方法的有效性.对缩放实验方法的适用性进行了仿真验证,结果表明该方法对弹丸形状适用性较好,对3～4 km/s以上撞击速度的适用性较好,但对Whipple防护结构后板存在一定误差.分析了Whipple结构后板的失效模式,提出了失效模式的不连续性导致了缩放实验方法的误差.最后通过数值仿真计算了Whipple结构7 km/s以上弹道极限特性,提出了失效模式的不连续性造成了在该速度段弹道极限曲线的分叉现象.     

超高速撞击条件下铝合金材料参数识别方法

在超高速撞击过程中,金属材料在大变形、高应变率条件下的材料参数获取是一个研究难点.在确定Steinberg本构模型和Gruneisen状态方程前提下,结合已有的物理试验结果,采用SPH(Smooth Particle Hydrodynamic)算法实现超高速撞击问题的数值模拟,定义优化目标为物理试验结果和仿真结果之间的相对误差值,利用连续响应面法SRSM(Successive Response Surface Method)对铝合金6061的Steinberg本构模型中的4个关键参数进行优化识别计算.经过识别的材料参数与物理试验的结果近似程度更好,证明了这种方法的正确性和可靠性.      

Uncertainty propagation for statistical impact prediction of space debris

Predictions of the impact time and location of space debris in a decaying trajectory are highly influenced by uncertainties. The traditional Monte Carlo (MC) method can be used to perform accurate statistical impact predictions, but requires a large computational effort. A method is investigated that directly propagates a Probability Density Function (PDF) in time, which has the potential to obtain more accurate results with less computational effort. The decaying trajectory of Delta-K rocket stages was used to test the methods using a six degrees-of-freedom state model. The PDF of the state of the body was propagated in time to obtain impact-time distributions. This Direct PDF Propagation (DPP) method results in a multi-dimensional scattered dataset of the PDF of the state, which is highly challenging to process. No accurate results could be obtained, because of the structure of the DPP data and the high dimensionality. Therefore, the DPP method is less suitable for practical uncontrolled entry problems and the traditional MC method remains superior. Additionally, the MC method was used with two improved uncertainty models to obtain impact-time distributions, which were validated using observations of true impacts. For one of the two uncertainty models, statistically more valid impact-time distributions were obtained than in previous research.     

基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测

针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题,对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行研究。提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力,结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别。采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击,在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流,根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像,从而提供有关撞击和损伤的信息。试验结果表明,基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好,重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数、位置和近似尺寸,验证了所提出技术方法的有效性,为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段。     

Analysis of space debris impact source localization based on PVDF piezoelectric film

As the pace of human exploration and utilization of space continues to accelerate, space debris gradually becomes an inevitable problem affecting and threatening human space activities. When space debris strikes the spacecraft bulkhead, determining the impact source location timely and accurately is the foundation of the repair damage, and is also of great importance for the safety of astronauts' life. This paper analyzed the wave propagation law in thin plates, established a lightweight sensor array using PVDF (Polyvinylidene fluoride) circular thin-film sensors, and used a two-stage light-gas gun loading system to conduct hypervelocity collision localization experiments on impacting 2A12 aluminum plates to study the effects of sensor array radius and sensor size on localization results. The results show that the smaller the radius of the PVDF sensor array is, the more accurate the positioning result is under the premise of the same size of the PVDF circular film sensor array. On the premise of the same PVDF sensor array arrangement, the larger the PVDF circular membrane sensor is, the more accurate the positioning result is. ABAQUS finite element software is used to study the stress wave propagation of aluminum ball impacting aluminum plate at high speed, simulating space debris impacting spacecraft. The stress waveform obtained from the simulation is in good agreement with the experiment, which shows the accuracy of the numerical simulation method.     

非均质壁面对液滴俘获能力的数值模拟研究

为研究不同非均质壁面对液滴的俘获能力,采用界面追踪法（FTM）结合广义滑移边界建立了接触角模型,对液滴在非均匀润湿的非均质壁面上的运动过程进行了数值模拟研究。液滴在倾斜壁面上受到重力作用由均匀润湿部分下滑至非均匀润湿部分,通过改变Bo数、Oh数、非均匀润湿程度研究了液滴在非均匀润湿区域的运动规律。研究表明:Bo数越大,液滴运动受壁面阻力影响越小,液滴下滑的速度越快,液滴越难以被俘获;Oh数越大,液滴运动受壁面阻力影响越小,液滴越难以被俘获;非均匀润湿程度越大,非均质壁面对液滴的阻力越大,液滴越易被俘获。