光滑粒子法及泡沫鋁空間碎片防護結構超高速撞擊行為.pdf

1、隨著航天事業(yè)的發(fā)展，空間碎片環(huán)境日益惡化，嚴重地威脅著在軌航天器的安全運行?？臻g碎片危害航天器的最主要特征是超高速撞擊現象，對于毫米級空間碎片，采用設置防護屏的防護結構方案被證明是現實有效的措施。航天器空間碎片防護結構的超高速撞擊特性是航天器空間碎片風險評估和防護結構設計的重要基礎數據。為了降低防護結構整體質量，開發(fā)新型航天器空間碎片防護結構方案是十分必要的。以航天器空間碎片防護結構設計為工程應用背景，本文編制了三維/二維光滑粒子法(S

2、PH)程序，并對計算效率和拉伸不穩(wěn)定進行了改進，用于超高速撞擊數值模擬研究。泡沫鋁防護結構是目前空間碎片防護研究的一個前沿，其潛在的應用前景引起了國內外的廣泛關注，論文中對泡沫鋁防護結構的性能及優(yōu)化進行了研究。
　　相對有限元方法，無網格方法在模擬大變形問題時（例如高速撞擊、爆炸、侵徹、裂紋等問題）具有明顯的優(yōu)勢。SPH方法是目前一種廣泛使用的無網格方法。本文介紹了SPH方法的基本理論，推導了函數核估計值和函數導數核估計值的通用表

3、達式，詳細闡述了SPH方法離散化介質力學守恒方程組的主要過程，給出了守恒方程的各種離散格式和計算流程，此外還介紹了SPH數值算法的一些相關問題：光滑核函數特性、固定邊界與虛粒子、人工粘性、人工熱流、本構關系、狀態(tài)方程、屈服模型、光滑長度選取及時間步長的計算等問題。
　　無網格方法的計算效率普遍低下，由于SPH方法采用了配點法作為離散方案、核函數法作為近似方案，所以效率相對較高，但與有限元法相比依然較低，而且還存在拉伸不穩(wěn)定的問題。

4、臨近粒子搜索算法決定了直接SPH方法的計算效率，現有的算法難以應用于大計算域、大量粒子的問題。SPH方法的拉伸不穩(wěn)定問題雖然得到了改進，但并沒有很好解決。本文提出了多級動態(tài)分配鏈表搜索法作為臨近粒子搜索方案，理論上可對任意數量的粒子實現高效搜索；為了進一步解決拉伸不穩(wěn)定問題，本文提出了一種人工力的方法，并將該力與人工粘性力結合起來形成了一種張量形式的人工力；為了使超高速撞擊后靶板的界面清晰，便于查看損傷情況，本文提出了SPH物體分塊條件

5、。
　　基于上述改進，編制了二維軸對稱和三維SPH數值模擬程序，為進行超高速撞擊的數值模擬研究奠定了基礎。通過與A.J.Piekutowski超高速撞擊實驗的比較，驗證了二維軸對稱與三維SPH程序的有效性。
　　泡沫鋁是一種新型航天器防護材料，其潛在的應用前景引起了國內外的廣泛關注。本文模仿泡沫金屬的制造過程，提出了一種適用于無網格方法的泡沫金屬微結構幾何建模方法，并通過實驗與數值模擬結果的比較驗證了該建模方法的有效性。在此

6、基礎上，通過數值模擬計算了夾層和填充泡沫鋁防護結構的撞擊極限曲線并進行了比較。
　　利用自行編制的三維SPH程序和提出的泡沫金屬模型對泡沫鋁防護結構進行了研究。通過對不同形式的填充泡沫鋁Whipple防護結構和填充實心鋁板Whipple防護結構的模擬和比較，獲得了優(yōu)化的填充泡沫鋁Whipple防護結構形式；通過模擬不同平均孔徑和不同相對密度的泡沫鋁防護結構，發(fā)現當平均孔徑較小、相對密度為27％左右時防護效果更佳；通過對不同面密度、

7、不同防護間距泡沫鋁防護結構的模擬，發(fā)現防護結構面密度的增加對防護效果的影響顯著，且在較高撞擊速度時防護間距的增加對防護效果的影響較為明顯。根據這些結論，獲得了優(yōu)化的填充泡沫鋁防護結構，通過模擬得到了它的撞擊極限曲線并發(fā)現：與網格雙防護屏和多層Nextel等防護結構相比，該結構防護效果優(yōu)異。通過對填充泡沫鋁防護結構和填充實心防護結構的模擬和分析發(fā)現：泡沫鋁對小尺寸碎片的防護效果顯著，因此不應將泡沫鋁放置在防護結構的第一層；泡沫鋁置后從而能