花岗岩超高速撞击成坑的相似律研究

发布时间：2020-05-16 03:25

【摘要】：小行星撞击地球作为人类生存的潜在威胁近年来引起了各国的高度重视,该物理过程是一个典型的超高速碰撞过程,伴随着撞击成坑、反溅碎片云等现象。由于小行星撞击过程具有速度高、尺度大等特点,目前地面试验能力无法真实模拟行星尺度撞击的情况,因而需要进行缩比模型试验,而相似律是连接原型尺度撞击与缩比模型撞击的桥梁,利用相似律能在特定条件下使得实验室试验结果较精准地反映真实撞击结果,因而建立合理可靠的相似律关系是开展小行星撞击缩比模型研究的前提。铁元素是小行星重要组成成分,而岩土材料是地表分布最广的材料,本文选用钢弹丸作为撞击物,选用地球上分布最广的岩土材料——花岗岩作为靶体材料,结合超高速碰撞试验以及仿真手段对花岗岩成坑的相似律进行研究。主要研究内容如下:(1)花岗岩超高速撞击成坑的相似律建模。调研分析影响行星撞击的主要物理参数,结合工程经验公式确定影响花岗岩撞击成坑的主要参数作为自变量,以坑深尺寸为研究的因变量,通过量纲分析法建模得到与坑深尺寸有关的无量纲公式,从而得到与撞击坑深有关的几何相似律、动能相似律与动量相似律。相似律关系表明,与靶体材料强度和声速有关的无量纲量是决定撞击成坑尺寸最主要的参数,进一步分析几何相似律,初步得到结论,在保证撞击弹靶材料不变,撞击速度一致的情况下,坑深尺寸与弹丸直径的比值应为定值。(2)花岗岩超高速撞击的试验验证研究。在建立的相似律模型基础上设计试验方案,在弹道靶上分别开展直径5mm、10mm、20mm的球形钢弹丸在2.5km/s、4.0km/s速度下的超高速撞击试验,得到各状态下花岗岩靶体的成坑特性,并拍照得到各次试验反溅碎片云的形成与演化过程。分析试验结果,认为撞击成坑深度满足所建立的相似律,并结合试验数据拟合得到成坑深度与弹丸各运动物理量之间的经验公式。同时定性分析结果表明,超高速碰撞的应变率效应将使得几何相似律出现一定偏转。(3)花岗岩超高速撞击的数值仿真研究。采用SPH方法及适用于本文所研究花岗岩材料的HJC模型对试验撞击过程进行数值仿真,仿真所得成坑结果与试验成坑结果较为一致,分析认为仿真方法与模型具有较高的精度;然后对实验室无法实现的发射状态进行仿真,在试验采用撞击状态的基础上,增加补充直径为50mm、100mm的撞击弹丸,并将撞击速度增加到7.0km/s及10.0km/s,结合已有试验数据,验证补充仿真状态是否仍然符合所建立的相似规律,结果证明成坑的几何相似律、动能相似律与动量相似律在所补充研究的系列状态下仍然成立。通过试验与仿真的方法最终得到结论,对于撞击速度2.5km/s~10.0km/s、撞击弹丸尺度为5mm~100mm的撞击状态范围内,花岗岩材料撞击成坑的深度满足所建立的相似律关系,因而可在该状态范围内通过研究小尺寸弹丸的撞击毁伤的尺寸特征等效模拟较大尺寸弹丸的撞击情况。
【图文】：

行星,陨石坑,超高速撞击,深空探测

军事科学院硕士学位论文第一章引言1.1 研究背景和意义撞击及相关研究方法体物理研究中的常见现象，在太阳系中，除了八大行星和彗星，这些小天体在运行中不时会接近、甚到地表时，，会造成一个比自身直径大 10 倍的坑，探索行星撞击对于了解星体的形成历史，掌握星体性有重要意义。

成坑,超高速撞击

USATunguskaFireball,Siberia 1908Ries Crater,GermanyChesapeakeBay, USAChM40m 60~100m 1500m 2300m 1铁岩石岩石岩石 20km/s 20km/s 20km/s 20km/s 245。45。30。45。沉积岩沉积岩结晶岩水 ASA 在深空探测领域处于世界领先地位，其所发射的旅行者的深空旅行中拍摄得到了大量星体表面的坑形图片，为人类撞坑形提供了大量素材。除开陨石坑观测、深空探测等方式，行星撞击极其重要的手段。美国 AMES 中心在 1966 年建造了超R）[2]，其后在该设备上开展了一系列超高速撞击成坑试验，击下成坑的相关特征（图 1.2）。由于陨石坑观测受地理因素影的数据获得周期长且难度较大，因而地面模拟试验是研究天要的手段。
【学位授予单位】：军事科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P185.7

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