波纹夹层防护结构超高速撞击特性研究

发布时间：2017-09-06 10:51

  本文关键词：波纹夹层防护结构超高速撞击特性研究

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【摘要】：日益频繁的太空活动使空间碎片的数量不断增多,给在轨航天器的运行安全构成了更为严重的威胁。本文基于航天器空间碎片被动防护需求,设计了一种填充式波纹夹层防护结构并利用数值仿真方法对其结构进行了优化,研究了其在不同初速和不同形状碎片作用下的超高速撞击特性。首先基于Whipple结构超高速撞击过程对仿真方法进行了准确性校验,将数值仿真结果与相关试验结果及弹道极限方程进行对比,验证了仿真计算中SPH算法以及材料模型的准确性。设计了一种新型的空间用填充式波纹夹层结构,并对其波纹夹层形状进行了优化,得到了防护性能最为优越的防护构型。在此基础上,研究了填充式波纹夹层结构在初速为3-15 km/s的球形空间碎片垂直撞击下的超高速撞击特性,对不同撞击初速下结构中的冲击波传播特性,穿孔特性,撞击形成碎片云特性,能量吸收特性以及航天器舱壁损伤特性进行了分析,同时对相同面密度Whipple结构相应的撞击特性进行了对比研究,阐述了填充式波纹夹层结构较之Whipple结构更为优越的超高速撞击防护性能。对球形碎片及五种相同质量的非球形碎片在相同条件下撞击填充式波纹夹层结构的超高速撞击特性及航天器舱壁的损伤特性进行了对比分析,研究发现非球形碎片对防护结构具有更强的毁伤能力,而且空间碎片的头部越尖锐、长径比越大,其毁伤能力越强。研究结果能够为航天器空间碎片防护结构的设计提供一定的技术支持,可以为防护结构防护性能的提升,防护质量的减轻以及防护成本的降低提供一定的思路。
【关键词】：空间碎片 数值仿真 填充式波纹夹层结构 超高速撞击特性 防护性能 形状效应
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V528;V445.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-15
• 1.1 课题研究背景及意义7
• 1.2 空间碎片环境简介7-9
• 1.3 空间碎片被动防护结构研究现状9-12
• 1.4 空间碎片超高速撞击数值仿真研究进展12-14
• 1.5 本文主要内容14-15
• 2 基于Whipple结构超高速撞击的仿真准确性验证15-23
• 2.1 Whipple防护结构超高速撞击仿真模型15-19
• 2.1.1 几何模型15
• 2.1.2 SPH数值算法15-17
• 2.1.3 铝合金材料模型17-19
• 2.2 试验验证19-20
• 2.3 弹道极限方程匹配验证20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 新型填充式波纹夹层防护结构23-37
• 3.1 设计目的23-24
• 3.2 填充式波纹夹层防护结构基本构型设计24-25
• 3.2.1 结构设计24-25
• 3.2.2 材料选择25
• 3.3 基于数值仿真的填充式波纹夹层防护结构优化设计25-33
• 3.3.1 填充式波纹夹层防护结构超高速撞击仿真模型25-27
• 3.3.2 波纹夹层结构防护性能评价指标27-28
• 3.3.3 波纹夹层形状优化分析28-33
• 3.4 填充式波纹夹层结构与Whipple结构防护性能对比分析33-36
• 3.4.1 碎片云形貌对比33-34
• 3.4.2 不可逆功转化能力对比34
• 3.4.3 航天器舱壁损伤对比34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 填充式波纹夹层结构超高速撞击特性研究37-58
• 4.1 新型防护结构超高速撞击过程描述37-38
• 4.2 冲击波传播特性38-40
• 4.3 填充式波纹夹层结构撞击穿孔特性40-43
• 4.4 撞击形成碎片云特性43-48
• 4.4.1 碎片云粒子组成及分布情况分析43-44
• 4.4.2 不同撞击初速下碎片云形貌对比44-45
• 4.4.3 碎片云头部速度分析45-46
• 4.4.4 碎片云膨胀规律分析46-48
• 4.5 能量吸收特性48-53
• 4.5.1 不可逆功转化特性48-50
• 4.5.2 动能吸收特性50-52
• 4.5.3 结构不同部分能量吸收特性对比52-53
• 4.6 航天器舱壁损伤特性53-57
• 4.6.1 航天器舱壁环形损伤区包络圆半径54
• 4.6.2 航天器舱壁撞击坑54-56
• 4.6.3 航天器舱壁背面鼓包56-57
• 4.7 本章小结57-58
• 5 不同形状空间碎片撞击填充式波纹夹层结构特性研究58-67
• 5.1 空间碎片形状建模58
• 5.2 空间碎片形状对超高速撞击防护性能影响分析58-66
• 5.2.1 撞击形成碎片云特性分析59-61
• 5.2.2 填充式波纹夹层结构撞击穿孔特性61-62
• 5.2.3 能量吸收特性对比62-64
• 5.2.4 航天器舱壁损伤特性对比64-66
• 5.3 本章小结66-67
• 6 结束语67-69
• 6.1 本文完成的主要内容67-68
• 6.2 尚待进一步研究的内容68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-76
• 附录76

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1 王卫杰;沈怀荣;李怡勇;;射弹超高速撞击卫星推进剂起爆模型研究[J];系统仿真学报;2011年12期

2 贾斌;盖芳芳;马志涛;庞宝君;;5A06铝合金单层板超高速撞击弹道极限分析[J];材料科学与工艺;2007年05期

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本文编号：802718