Finite Element Modelling of Failure of a Multi-Material Target due to High Velocity Space Debris Impacts

Lagrangian finite element methods have been used extensively in the past to study the non-linear transient behaviour of materials, ranging from crash tests of cars to simulating bird strikes on planes. However, as this type of space discretisation does not allow for motion of the material through the mesh when modelling extremely large deformations, the mesh becomes highly distorted. This paper describes some limitations and applicability of this type of analysis for high velocity impacts. A method for dealing with this problem by the erosion of elements is proposed, where the main driver is the definition of element failure strains. Results were compared with empirical perforation results and were found to be in good agreement. The results were then used to simulate high velocity impacts upon a multi-layered aluminium target in order to predict a ballistic limit curve. LS-DYNA3D was used as the FE solver for all simulations. Meshes were generated using Truegrid.     

固体火箭发动机喉衬流场及热结构耦合分析

为了准确预示固体火箭发动机喉衬在燃气环境中的烧蚀传热及热结构行为,建立了基于FLUENT流体计算软件和ANSYS结构分析软件的流场及热结构耦合分析模型.由FLUENT采用整场离散、整场求解的方法进行流固耦合烧蚀传热模拟,得到的压强及温度分布导入ANSYS进行结构分析,实现了流场与烧蚀传热的双向耦合以及流场、热到结构的单...     

Plasmasphere Response: Tutorial and Review of Recent Imaging Results

The plasmasphere is the cold, dense innermost region of the magnetosphere that is populated by upflow of ionospheric plasma along geomagnetic field lines. Driven directly by dayside magnetopause reconnection, enhanced sunward convection erodes the outer layers of the plasmasphere. Erosion causes the plasmasphere outer boundary, the plasmapause, to move inward on the nightside and outward on the dayside to form plumes of dense plasma extending sunward into the outer magnetosphere. Coupling between the inner magnetosphere and ionosphere can significantly modify the convection field, either enhancing sunward flows near dusk or shielding them on the night side. The plasmaspheric configuration plays a crucial role in the inner magnetosphere; wave-particle interactions inside the plasmasphere can cause scattering and loss of warmer space plasmas such as the ring current and radiation belts.     

返回式卫星烧蚀热防护机理与数值模拟

详细讨论了低温炭化材料的质量损失和吸热机理。利用分层模型,给出具有不同物理和化学特性的各层的能量守恒关系。用积分法给出各层热防护的数值模拟,数值模拟计算结果与一维热传导解析解结果一致,亦与地面烧蚀实验結果一致。     

涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟

为了更加准确获得颗粒物在涡轮中的沉积分布,以某涡轮叶片为模型,选用最接近航空发动机内部颗粒组成的Jim Bridger Power Station(JBPS)颗粒为污染物,同时,利用C++编写合适的User Defined Function(UDF)经过调试来分析颗粒沉积后叶片边界的复杂变形和边界网格依赖于时间变化的重构生成,在考虑每个时间步长颗粒沉积在叶片上从而改变叶片几何特性和换热特性的情况下,来深入研究颗粒物沉积在叶片的整个过程,最终得出了沉积的分布情况,并且通过数值研究结果与实验结果的对比,验证了网格重构与融合程序的合理性、准确性。根据叶片变形情况预测腐蚀的发生情况。随后,改变主流温度、颗粒直径来研究颗粒沉积特性。结果表明:颗粒主要沉积在叶片压力面中部,但会使得叶片前缘和压力面中部均产生明显变形;叶片前缘由于颗粒沉积使得粗糙度增加形成锯齿形,最先遭受腐蚀;颗粒直径影响颗粒沉积的分布与沉积生长速度;只影响沉积速度,并不改变沉积分布。     

基于加速栅溅射腐蚀失效的离子推力器寿命预测

离子推力器加速栅溅射腐蚀失效是制约离子推力器寿命的关键失效模式之一.针对离子推力器长寿命、多功率条件下运行的特点,基于坑和凹槽的溅射腐蚀数据,建立模型对其进行寿命预测.通过研究离子推力器加速栅中心凹槽腐蚀深度在不同功率段下随工作时间的变化规律发现:运行功率顺序对加速栅凹槽腐蚀率影响较小,进而采用累积损伤理论建立离子推力器多功率段下运行的寿命预测模型.最后, 对美国的NASA's Evolutionary Xenon Thruster(NEXT)进行了寿命预测,预测结果寿命为46041h,与试验结果符合较好.      

固体火箭发动机碳基材料喷管机械侵蚀特性

为研究碳基材料喷管的机械侵蚀特性,基于两相流理论和经验公式,考虑液滴的蒸发与反应,建立了二维轴对称碳基材料喷管机械侵蚀计算模型.针对15-lb BATES发动机喷管进行了机械侵蚀计算,研究了液滴轨迹、机械侵蚀情况的分布规律,以及推进剂中Al质量分数和燃烧室压强对机械侵蚀的影响.结果表明:机械侵蚀率计算最大值为55μm/s,在实验结果范围内.Al/Al₂O₃混合液滴是机械侵蚀的主要因素,Al液滴由于蒸发氧化而不对壁面造成碰撞.机械侵蚀发生在喷管收敛段,峰值位于喉部上游入口处,喉部和扩张段无机械侵蚀现象.推进剂中Al质量分数增加对机械侵蚀率无显著规律性影响.机械侵蚀率随燃烧室压强的增加呈超线性增长.      

不同环境温度对30cm离子推力器三栅极组件的离子刻蚀速率影响分析

为了对不同环境温度造成的30cm离子推力器三栅极组件离子刻蚀速率的影响进行分析,采用有限元仿真与试验验证相结合的方法,计算并试验验证了不同环境温度下的三栅极组件热平衡温度以及栅极间的相对位移变化,采用流体方法模拟了不同环境温度(20℃,-70℃,-120℃和-170℃)对三栅极组件的刻蚀影响,并结合短期寿命试验结果进行验证。结果显示:随着环境温度的降低,屏栅达到温度平衡的时间无变化,而加速栅温度平衡所需的时间则明显延长,20℃下的屏栅和加速栅热仿真结果与室温下推力器热平衡试验结果比对误差分别为7%和5%;其次环境温度的降低,会导致屏栅与加速栅的中心间距和边缘间距均缩小,而加速栅和减速栅的边缘间距却逐渐拉大,仿真结果与栅极热间距摄像测量结果符合性较好;根据三栅极组件的栅孔径扩大率随环境温度变化的计算结果来看,加速栅中心和减速栅边缘是离子刻蚀的主要位置,轰击至加速栅中心区域的离子数速率约是边缘的3倍,而轰击至减速栅边缘区域的离子数速率是中心的2.5倍,且环境温度的降低对加速栅中心区域离子刻蚀的影响更为强烈;经2100h的寿命试验验证,仿真结果与试验结果基本符合,误差经分析认为主要来自于流体方法的参数设置过程以及栅孔壁面均匀刻蚀的计算假设。     

空间环境分子污染对航天器的影响

空间环境分子污染对航天器的影响,是目前高可靠性、长寿命航天器在设计时非常重要的问题之一。通过对国外航天器在轨飞行过程中所发生的分子污染现象的总结,从分子污染的来源、形成过程、与原子氧和紫外辐射等其他空间环境因素间的反应、对航天器敏感表面特性的影响等方面,对分子污染效应做了详细的介绍。并指出,材料的真空放气产物和原子氧剥蚀产物在航天器表面的沉积,是分子污染的主要来源。而在原子氧和紫外辐射的作用下,污染层会发生氧化、固结、暗化等现象,使其外观和成分发生了不同程度的变化,从而对航天器敏感表面的光、电、热控等性能带来了很大程度的影响。     

热喷涂技术在循环流化床锅炉中的应用

分析了循环流化床锅炉的磨损及原因,阐述了国内外用于高温抗冲蚀磨损热喷涂防护涂层的研究和应用进展.