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。     

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。     

飞机加强蒙皮在12．7mm弹丸撞击下的损伤

为了研究飞机蒙皮在12．7mm标准机枪弹丸射击下的损伤，对3mm厚LY12-CZ材料的单蒙皮及其加筋板在实验室进行了模拟弹击试验．通过试验研究，一个由高速气炮，弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置被建立并有效的用于本文的弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3mm厚蒙皮用12．7mm直径弹丸进行从速度从约60到300m／s的正撞击试验，结果表明，靶板从微小损伤到完全击穿；弹击造成的变形区有效直径随着弹丸速度的增大而呈幂指数趋势下降；弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度增加而呈直线下降：靶板上的应变随弹丸速度增加而呈渐进降低。弹丸的剩余速度随弹丸撞击速度增加而呈直线上升．最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟．模拟结果与弹击试验结果较吻合．     

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。     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2～7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

直流互击式喷注单元雾化特性准直接数值模拟

为实现直流互击式喷注单元雾化过程的数值求解并探究结构及工作参数对雾化特性的影响规律,基于一种树形自适应加密算法与流体容积(Volume-of-Fluid,VOF)方法实现了雾化过程的准直接数值模拟。计算得到了两股射流由喷射到撞击形成液膜,液膜进一步破碎形成液丝、液滴的全过程,获得了液膜的破碎长度、液滴的Sauter平均直径、雾化频率等雾化特性参数。通过将典型算例的计算结果与试验数据进行对比验证了计算的有效性,给出了数值求解精度。探讨了撞击波的形成机理,分析了雾场液滴的尺寸分布规律,撞击夹角、孔径比、射流速度、动量比对雾化特性的影响规律。结果表明:所采用的算法可以实现多相、多尺度雾化过程的数值求解;撞击波的形成是由于两股射流撞击时惯性力的不完全对称导致的;雾场液滴的尺寸分布近似服从Rosin-Rammler分布;撞击夹角的增大与射流速度的提高导致液膜的破碎长度减小,液滴的平均粒径减小,撞击夹角增大雾化频率呈减小的趋势,射流速度提高雾化频率呈增大的趋势;动量比为1而孔径比不为1时会形成凹形液膜,雾场存在一定程度的偏斜;动量比主要影响雾场的偏斜程度。     

多级同步感应线圈炮驱动线圈优化研究

在多级同步感应线圈炮系统中,驱动线圈的轴向长度将会直接影响弹丸的速度。文中采用轴对称线圈磁场的数值算法和微分方程的前向差分法,对三级同步感应线圈炮系统中驱动线圈的轴向长度与弹丸发射速度的关系进行了仿真分析,得出了驱动线圈的最佳轴向长度。     

空间碎片防护问题的物质点无网格法与软件系统

空间碎片超高速撞击的防护是航天器结构设计须重点考虑的问题,超高速撞击过程的极强非线性对传统数值方法提出了巨大挑战。作为新兴的无网格法的一种,物质点法易于处理超大变形、断裂破碎和高速碰撞中的大量接触过程,非常适合求解超高速碰撞问题。对物质点法的算法理论进行了多项改进,自主研发了三维物质点法软件系统MPM3D,从多个角度模拟分析了空间碎片的超高速碰撞问题。模拟结果与实验吻合良好,能够正确再现开坑、层裂、碎片云等超高速碰撞典型现象,易于通过材料内禀结构建模研究泡沫、蜂窝等材料的撞击吸能和防护能力,显示出物质点法及其软件系统可以作为超高速碰撞的有力数值分析手段。     

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。     

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N 型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SP H 数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。     

气膜孔布局对前缘气膜冷却效率影响的实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍气膜孔直径距离位置布置了1排气膜孔。主流在前缘的湍流度为8%,二次流和主流密度比为1.5,动量比变化范围为0.5~4,分析了在不同动量比下气膜孔间距和径向角变化对径向平均气膜冷却效率的影响。径向角分别为0,°45,°65,°孔间距与孔径的比分别为2,3,4。研究结果表明,随着孔间距的增加,径向平均冷却效率逐渐降低。径向角对径向平均冷却效率的影响非常复杂。     

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。     

偏心对双级旋流器出口流场影响试验

为了研究双级旋流器在不同偏心量下的冷态流场变化,设计了4种偏心量(分别为0,0.5,1.0,1.7mm偏心)的双级旋流器试验件,并采用粒子图像测速仪(PIV),测量了不同偏心量下流场.试验结果表明:0.5mm偏心下的流场较无偏心下变化较小,但当偏心量大于0.5mm时,双级旋流器出口下游规则的双涡结构变得不对称,并且中心回流区变窄,流场与无偏心下相比差别较大;偏心对双级旋流器出口下游径向速度分布影响较大,在双级旋流器出口X/D=0.5轴向位置附近,当偏心量大于0.5mm时气流径向速度分量变为正向峰值.      

5mm直径翘边孔横向耦合射流轨迹实验

采用粒子图像测速仪（PIV）对5mm直径翘边孔横向耦合射流流场进行了研究,实验结果表明:射流入射角与翘边孔角度有较大的偏差,但是随着翘边孔角度的增加,射流入射角增大;引入翘边孔射流有效直径,由试验数据得到了有效直径的数值。对射流轨迹曲线进行了拟合,考虑了两种主通道气流速度、四种不同角度的翘边孔和三种不同深度的主通道,方程式能较好地反映小尺寸通道翘边孔射流的流动结构,为今后的流场设计提供依据。      

脉冲雷达凝视模式下低轨碎片相对运动特征分析

脉冲雷达凝视模式是一种探测低轨小碎片的重要方式,其中低轨碎片与雷达的径向运动关系是碎片统计分析的基础.为推算碎片相对雷达的运动特征,基于坐标系的相互转换,先利用雷达测站信息,得到可见碎片在地惯坐标系下的轨道信息;再逆向将目标不同时刻的位置转换至测站坐标系下,得到目标的径向运动特征.在不同要素（雷达波束指向、雷达仰角、测站纬度、目标距离）下,仿真及对比分析了各个参数对速度模糊度、雷达可见性等的影响,得出在凝视模式下目标相对雷达近似做径向匀加速运动,这为后续试验工作提供有力的依据.     

某微型发动机轴流涡轮与向心涡轮的气动性能及尺寸对比分析

为确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,基于某直径为12 cm的微型发动机样机开展研究.估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机采用的微型向心涡轮对比,分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸质量方面的差别.研究表明:在先进微型发动机压比提高(＞...     

Hole size and crack length models for spacecraft walls under oblique hypervelocity projectile impact

All long-duration spacecraft in low-earth-orbit are subject to high speed impacts by meteoroids and orbital debris. In the event of a perforation, the pressure wall of a dual-wall structure impacted by a high-speed particle can also experience cracking and petalling. If such cracking were to occur on-orbit, unstable crack growth could develop which could lead to an unzipping of the impacted spacecraft module. The analysis presented in this paper extends the applicability of a crack length and hole size model developed previously for a normally impacted spacecraft wall to the case of obliquely incident particles. Predictions of the oblique impact model are compared with experimental data and the predictions of empirical hole size and crack length models. Modifications to the model that are required to bring its predictions in closer agreement with the experimental results are then presented and discussed.