钨合金弹丸超高速撞击的分子动力学研究

针对高速穿甲与空间碎片超高速撞击航天器材的防护性能以及损伤破坏模式的问题,采用分子动力学方法,运用EAM势对钨合金弹丸超高速撞击靶板的动力学行为进行了数值模拟,定性研究了弹丸尺度、弹丸速度、靶板厚度以及材料模型对靶板穿孔、靶板破坏与碎片云形成的影响以及相应规律. 研究结果表明:同一时刻空筒蘑菇形碎片云的径向与轴向距离随弹丸直径、撞击速度的提高而增加. 反溅粒子与粒子堆积高度随弹丸直径、撞击速度提高而增加. 将分子动力学模拟结果与高质量试验结果进行了相应对比,模拟的碎片云形状、反溅粒子以及粒子堆积等特征与试验基本吻合,验证了利用分子动力学方法的有效性.     

圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟

为研究不同形状空间碎片超高速撞击薄板产生的碎片云特性,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,利用光滑质点动力学方法（SPH）对圆柱形弹丸超高速正撞击单层薄铝板防护结构形成的碎片云进行数值模拟,分析相同质量和速度条件下,不同长径比的圆柱形弹丸超高速撞击所产生碎片云的形态、轴向长度、径向直径、轴向速度等参量随弹丸长径比的变化规律。结果表明,弹丸破碎程度和碎片云分散程度随弹丸长径比的改变而改变。随着弹丸长径比的增加,碎片云对航天器舱壁的损伤能力增强,弹丸对薄板的损伤程度减弱。该结果为航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计提供了参考。     

碰撞倾角对碎片云分布影响的数值模拟

研究超高速斜碰撞所形成的二次碎片云的分布特性. 采用SPH与Lagrange耦合的方法计算了靶板上的穿孔尺寸随碰撞倾角的变化,并在此基础上模拟了碰撞倾角对二次碎片云分布的影响. 计算结果与实验拟合结果表明,所采用的耦合方法可以很好地模拟穿孔尺寸和二次碎片云分布;当碰撞倾角增大到60°时,法线碎片云的质心轨迹与直线碎片云的质心轨迹明显分离,并且反跳碎片云中弹丸材料的粒子数目将显著增加.     

基于OTM方法的超高速碰撞问题数值模拟

最优输运无网格方法（optimal transportation meshfree method,OTM）相比传统的SPH方法,可以有效克服现有显式分析中能量不守恒问题,完全避免SPH方法中存在的拉力不稳定性,并可规避零能模式的出现.本文采用OTM方法对铝制球形弹丸超高速撞击铝合金靶板问题开展了数值模拟研究.为描述铝在高温高压和高应变率条件下的动态力学响应,采用Johnson-Cook材料模型和Mie-Grüneisen状态方程对超高速撞击单层靶板进行数值模拟,得到的弹坑直径、碎片云长度与宽度以及内核碎片云的形态和分布与实验吻合较好.此外,对超高速撞击双层靶板问题也进行了数值模拟,模拟得到的碎片云形貌参数符合实验结果,二次碎片云的模拟长度与实验结果仅相差2.6%.数值模拟结果表明OTM方法非常适合于模拟超高速碰撞问题.      

超高速撞击碎片云特性数值模拟研究

碎片云特性对空间碎片撞击航天器防护结构的损伤程度具有重大影响。本文采用数值仿真软件AUTODYN对球形弹丸超高速撞击单层板和双层板的碎片云特性进行了模拟,分析了弹丸超高速撞击不同层数防护板后的碎片云形态,研究了速度和板间距对碎片云特性的影响。研究表明:碎片云的形成需要一定的条件,速度和板间距对碎片云的特性有重要影响。     

基于二维颗粒元法的超高速碰撞薄靶数值模拟

传统基于网格数值方法在模拟超高速碰撞时存在着材料大变形引起节点位置异常变化,导致单元畸变严重使计算无法进行;尤其是超高速碰撞中引起的材料断裂、破碎等用传统网格算法很难准确描述. 为克服传统网格算法在模拟超高速碰撞时存在的缺陷和不足,用二维颗粒元法模拟直径为5 mm球形弹丸以4~7 km/s对2 mm厚的靶板碰撞. 模拟结果表明,该方法克服了计算过程中存在的网格畸变现象,模拟得到的弹丸对薄靶开孔规律和形成碎片云形貌与实验基本吻合,证实了二维颗粒元法可作为新方法模拟超高速碰撞.     

高速碰撞下二次破片光滑粒子流体力学法数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格光滑粒子流体力学方法(SPH)数值技术,对遭遇速度为1.5～2.5 km/s下圆柱钨弹丸垂直碰撞装甲靶板产生的二次破片云分布特征进行了数值模拟,获得了不同碰撞速度下靶板穿孔直径及破片云前端运动速度、侧向膨胀速度和最大飞散角等分布特征.在此基础上,建立了二次破片云质量及空间分布预测模型.结果表明,数值模拟和模型预测均与实验结果相吻合.     

非球形弹丸超高速撞击充气压力容器碎片云特性数值模拟

为解决非球形弹丸正撞击充气压力容器问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN,在相同质量和速度的条件下,采用光滑质点流体动力学方法 SPH,对具有不同长径比的圆锥形弹丸、圆柱形弹丸撞击压力容器产生的碎片云特性进行数值模拟,分别分析圆锥形弹丸、圆柱形弹丸长径比对碎片云形态、尖端速度及径向扩展直径的影响。结果表明:弹丸形状及弹丸长径比对碎片云在高压气体中的运动特性影响较大。随着弹丸长径比的增加,圆柱形弹丸碎片云径向扩展直径减小;随着弹丸长径比的增加,相同质量和相同撞击速度的圆锥形弹丸及圆柱形弹丸碎片云的损伤力增强。     

超高速碰撞实验中跟进气体对等离子体信号的影响

针对二级轻气炮加载铝弹丸超高速碰撞靶板产生等离子体的过程中,弹丸后面跟进气体有可能对等离子体信号造成影响的问题,利用三探针、磁线圈、高温计等实验设备分别对有铝弹丸和无弹丸两发实验进行了诊断测量,得出了相应的电子温度、磁感应强度、物质温度变化曲线.比较实验结果得出:弹丸超高速碰撞靶板产生等离子体的过程中跟进气体信号幅值较小,不会对实验结果造成明显影响.     

超高速碰撞产生等离子体的电磁场测量方法

介绍了超高速碰撞过程中等离子体产生的环形电磁场测量方法,测量过程中采用螺旋型线圈,并分析了该线圈对外界干扰磁场的屏蔽效应.实验中采用该线圈测量到速度为6.2km/s的球形LY12铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶板产生磁场强度随时间的变化规律.测试结果表明,等离子体产生的瞬态电磁场的持续时间为1ms左右,最大幅值为15μT.     

LY-12铝合金熔化的临界碰撞速度

借助于二级轻气炮,实现了ＬＹ－１２铝合金弹丸以４￣６ｋｍ／ｓ的速度对铝双层板的超高速碰撞。对ＬＹ－１２铝合金球形弹丸超高速冲击铝双层板熔化的临界条件进行了研究。     

基于SPH方法的球形弹丸撞击薄板研究

基于显示中心差分计算格式,应用光滑粒子流体力学方法(SPH)模拟计算了直径为6.35 mm铝球正撞薄铝板的过程,并将计算结果与闪光X射线照相系统所拍摄的结果相比较。对比研究结果大致得出了球形弹丸内部应力波传播的规律。并定性验证了靶板厚度与球形弹丸变形与破碎间的规律。所得结论为进一步深入研究弹丸破碎以及Whipple防护结构撞击极限取相参数优化提供一定的依据。     

超高速微小碎片激光测速系统研制及应用

地面超高速模拟实验是研究微小空间碎片撞击效应经济有效的手段,其中等离子体加速器为微米量级碎片的主要地面模拟设备.本文研制了在等离子体驱动微小碎片加速器系统并应用于高速飞行微粒速度测量的激光测速系统.该激光测速系统工作原理是.利用主动激光照明,在颗粒飞行路径上形成光墙,通过检测颗粒通过光墙形成的散射激光,得到微粒到达光墙的时间,利用飞行时间法进行高速微粒速度测量.在激光测速系统原理测试实验中,采用信号响应上升时间小于10 ns,电子渡越时间小于20ns的高灵敏、快响应的光电倍增管,原理试验测得该探测系统的响应时间仅为约70 ns.该响应时间小于速度为15 km/s的颗粒通过3～5mm厚度的片状激光束的理论时间,并验证了该系统灵敏度高、响应时间快的特点,可以满足超高速微粒(8～20 km/s)通过3～5 mm激光墙的时间阈值(约0.1 μs)的需求.目前,激光测速系统已经应用于等离子体加速器发射超高速微粒的试验中,能有效测量等离子体加速器所发射的高速微粒的群速度,对15 km/s及以上速度的超高速颗粒亦能捕捉到有效信号,实现对微粒速度的测量,达到了良好的预期效果.在等离子体微小碎片加速器上开展的超高速撞击试验中,激光测速系统能够实现无损在线速度测量,对等离子体加速器上开展的超高速撞击试验提供了重要帮助.