超高速撞击碎片云中心大碎片特征及侵彻性能研究

作     者：邸德宁 

作者单位：中国工程物理研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：陈小伟

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：碎片云 超高速撞击 中心大碎片 侵彻极限 材料失效模型 

摘      要：弹丸超高速撞击薄板后产生碎片云,其动能被分散到大量小碎片而侵彻性能降低,被用于航天器对微小空间碎片的防护。本文主要基于数值模拟,分析碎片云中中心大碎片各特征和侵彻性能随撞击工况变化规律,尝试以单个碎片替代整个碎片云计算侵彻极限。本文首先综述碎片云形成过程、分布特性、模型化和侵彻性能四方面进展,尝试关联各研究方向,强调对物理过程和机理的认识,关注新兴技术的跟进利用。综述认为,对碎片云分布特性研究需推进到质量、相态分布,尝试观测单个碎片尺度;碎片云侵彻性能与工程背景直接相关,需在碎片云模型研究中重视侵彻性能及推动直接的碎片云侵彻极限量化。基于综述部分确定本文核心研究思路:寻找单个“最危险碎片,以其侵彻性能量化整个碎片云侵彻极限。本文针对弹丸破碎未相变段,研究对象定为中心大碎片,旨在分析上述思路可行性和偏差大小。SPH算法数值模拟中要观测单个碎片,需考察前处理中材料模型适用性及后处理中碎片识别和测量方案。本文在碎片云速度、质量分布和最大碎片尺寸方面考察失效模型选择,碎片整体分布规律与实验一致。提出基于AUTODYN碎片识别功能的碎片尺寸测量方案,结果与实验吻合较好。同时,利用材料失效模型模拟材料失效行为,分析材料应力状态和宏观上碎片云速度、质量分布及侵彻性能等的关联,总结材料失效难易与上述表现相关性,也正是中心大碎片形成和特征变化机理分析基础。基于数值模拟,分析中心大碎片等效尺寸、材料原始位置、速度值、温度和质量特征与撞击速度和薄板厚度关系,细致讨论各特征变化机理,并理论推导碎片速度表达式,其中碎片温度数据实验难获得。最后,本文基于中心大碎片讨论碎片云侵彻极限。分析认为中心大碎片在相变前为最危险碎片,且可认为其独立侵彻后续靶板,因此能替代整个碎片云计算侵彻极限。分析以中心大碎片动能与撞击工况变化关系以表征其侵彻性能,发现与整个碎片云侵彻极限变化规律基本一致。基于经验公式量化中心大碎片侵彻性能,与碎片云侵彻极限比较发现材料破碎越充分其偏差越大。最终给出量化的中心大碎片侵彻性能公式和替代方案适用工况范围。