再入气动环境类电池帆板材料微观响应变形行为分子动力学模拟研究

发布时间：2021-08-26 08:22

　　针对服役期满大型航天器无控飞行轨道衰降再入大气层解体过程及落区难以提前预测,再入解体后生成的碎片可能造成地面危害等问题,采用分子动力学模拟方法,选取MEAM势函数,构建了碳元素质量分数0.215%的含碳钢分子动力学模型,计算了不同温度下材料的平衡态晶格常数,并通过晶格常数与温度的关系,计算了模型的线膨胀系数,验证了MEAM势函数在所建立的仿真模拟系统合理性;使用经过验证的分子动力学模型与MEAM势函数,模拟了钢制平板在Ma_∞=8.37,Kn_∞=0.01,γ=1.4的高超声速再入气动环境中,通过结构动态热力响应变形行为有限元算法计算出的部分状态下材料微观演化行为,初步证明了分子动力学模拟方法在服役期满大型航天器再入大气层解体过程的分析仿真计算中的作用,为实现分子动力学方法同动态热力响应有限元算法的耦合奠定了基础。 

【文章来源】：载人航天. 2020,26(04)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

体心立方晶格结构示意图

图2为对300 K温度下类电池帆板材料模型的晶格常数与晶体结合能的拟合曲线,拟合结果显示此温度下,材料模型的主要晶胞平衡态晶格常数为a300 K=2.8962 ?,查阅手册[18]可得,与模拟的材料模型含碳量相近的20#钢在20 ℃(293.15 K)的温度条件下,主要晶胞平衡态晶格常数为2.8664 ?,这与本文拟合计算结果吻合很好,相对偏差仅为1.04%。在400～1000 K的不同温度下,重复上述过程,分别拟合对应温度下的主要晶胞平衡态晶格常数,将之与温度进行线性拟合,并根据拟合结果与模拟得到的300 K温度下材料的主要晶胞平衡态晶格常数,按照式(1)对材料模型在300 K温度条件下的线膨胀系数α进行计算。

图3给出了对各个温度条件下拟合得到的类电池帆板材料模型的主要晶胞平衡态晶格常数与对应温度进行线性拟合的结果,其中拟合斜线的斜率为k=4.166 12×10-5 ?/K,根据式(1)可得材料模型模拟所得的300 K温度条件下线膨胀系数为α300 K=1.4385×10-5 K-1。查阅手册[18],20#钢的常温线膨胀系数为α=1.42×10-5 K-1,与模拟结果相对偏差为1.3%,较为接近;同时也与提供本文高超声速再入环境的计算条件来源文献[6]在计算钢制平板这一大型桁架航天器太阳电池帆板的简化再入模型时所采用的材料系数α=1.5×10-5 K-1较为相近,两者相对偏差4.1%。通过以上验证分析,证实本文针对类电池帆板分子动力学材料模型的构建方法与所选取的MEAM势函数能较为准确可靠描述材料的微观力学行为,可用于材料力学性能的模拟计算。

【参考文献】：
期刊论文
[1]跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究[J]. 李志辉,彭傲平,方方,李四新,张顺玉.  物理学报. 2015(22)



本文编号：3363896