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      超高速撞擊下球形彈丸破碎特性仿真研究

      2022-09-13 01:36:28蓋芳芳生帝劉恂劉寶良
      關(guān)鍵詞:薄板彈丸直徑

      蓋芳芳,生帝,劉恂,劉寶良

      (1.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,廣東 茂名 525000;2.固安云谷科技有限公司,河北 廊坊 065000)

      隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展,發(fā)射在地球近地軌道的航天器越來越多,造成在軌物體數(shù)量不斷積累,空間環(huán)境也隨之惡化[1,2]??臻g碎片的高速碰撞會(huì)對正常運(yùn)行的航天器造成損傷,甚至可能造成航天任務(wù)的失敗。另外,空間碎片撞擊后還可能形成新的碎片,對航天器造成二次損傷[3,4]??梢姡瑢臻g碎片撞擊發(fā)生破碎后的破碎狀態(tài)進(jìn)行研究很有必要。由于試驗(yàn)技術(shù)的限制,通過試驗(yàn)?zāi)軌颢@得的彈丸破碎狀態(tài)數(shù)據(jù)有限,因此仿真手段成了目前研究彈丸破碎狀態(tài)的主要手段。Piekutowski[5-7]對彈丸的破碎進(jìn)行了大量的研究,為國內(nèi)外研究者提供了真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。Kipp等[8]對撞擊過程中彈丸的破碎狀態(tài)進(jìn)行了建模,給出了不同破碎模型下碎片尺寸及不同破碎模式轉(zhuǎn)換的臨界條件;Swift等[9]建立了在球形彈丸撞擊速度為7 km/s時(shí)正撞擊鋁板形成碎片云的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀鴥?nèi)也有很多學(xué)者對超高速撞擊下的彈丸破碎狀態(tài)進(jìn)行了研究。如柳森等[10]對超高速拍攝設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn);張偉等[11,12]對柱形彈丸鋁合金薄板形成的碎片云進(jìn)行了建模,獲得了彈丸破碎狀態(tài)的質(zhì)量及速度特性;遲潤強(qiáng)[13]研究了當(dāng)球形彈丸撞擊薄板時(shí)彈丸和薄板的破碎狀態(tài),建立了碎片云模型,獲得了彈丸破碎特性數(shù)據(jù)。本文使用我國航天常用鋁合金材料Al2017、Al6061模擬彈丸及薄板,對球形彈丸撞擊薄板后的破碎狀態(tài)進(jìn)行仿真研究,以期為我國航天器防護(hù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

      1 仿真模型建立

      為了更準(zhǔn)確地對彈丸的破碎狀態(tài)進(jìn)行描述,應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-3D,采用SPH方法三維建模,彈丸采用Al2017材料,薄板采用Al6061材料,SPH粒子直徑0.1 mm,幾何模型如圖1所示。

      圖1 仿真的幾何模型

      2 彈丸破碎狀態(tài)特性分析

      2.1 彈丸破碎和完全破碎時(shí)的臨界速度

      確定不同彈丸直徑下彈丸發(fā)生破碎的臨界撞擊速度vpc和彈丸發(fā)生完全破碎的臨界速度vpcc。薄板厚度t取1.0 mm,彈丸直徑dp取2.0~4.0 mm。圖2給出了當(dāng)彈丸直徑為4.0 mm時(shí)不同撞擊速度下彈丸的破碎狀態(tài)。由圖2可見,隨著彈丸速度的增加,彈丸破碎得越厲害。

      圖2 不同撞擊速度下彈丸的破碎情況

      確定彈丸發(fā)生破碎時(shí)的臨界速度。由圖2不同撞擊速度下彈丸破碎后的小碎片分布情況可見,當(dāng)板厚為1.0 mm和彈丸直徑為4.0 mm時(shí),工況a彈丸基本無形變,且沒有發(fā)生明顯的破碎,而工況b則有較明顯的形變,并且彈丸前端開始發(fā)生破碎。則彈丸破碎的臨界速度在1.3~1.5 km/s間,取1.4 km/s為彈丸破碎的臨界速度。根據(jù)上述計(jì)算方法,可以確定不同彈丸直徑下彈丸破碎的臨界速度,并繪制曲線,如圖3所示。由圖3可見,彈丸破碎的臨界速度隨著彈丸直徑的增加而增加,且呈近似正比關(guān)系。

      確定彈丸發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界速度。由圖2可見,在彈丸撞擊速度為6.5 km/s(圖2h)和7.0 km/s(圖2i)時(shí),彈丸已經(jīng)發(fā)生完全破碎;而在撞擊速度為6.0 km/s時(shí),碎片云前端仍有較大的碎片,即彈丸完全破碎臨界速度在6.0~6.5 km/s間,取6.25 km/s為彈丸發(fā)生完全破碎的臨界速度。對彈丸完全破碎時(shí)的臨界速度和彈丸直徑的關(guān)系進(jìn)行擬合,繪制曲線如圖4所示。由圖4可見,彈丸完全破碎的臨界速度隨著彈丸直徑的增加而增加,且呈近似正比關(guān)系。

      圖3 vpc與dp的關(guān)系曲線 圖4 vpcc與dp的關(guān)系曲線

      2.2 彈丸破碎和完全破碎時(shí)的臨界直徑

      確定不同撞擊速度下彈丸發(fā)生破碎時(shí)的臨界直徑dpc和彈丸發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界直徑dpcc。薄板厚度t取1.0 mm,彈丸撞擊速度vp取1.0~4.0 km/s。圖5給出了當(dāng)撞擊速度為2.5 km/s時(shí)不同彈丸直徑下彈丸的破碎狀態(tài)。由圖5可見,隨著彈丸直徑的增加,彈丸越不容易發(fā)生破碎。

      圖5 不同彈丸直徑下彈丸破碎情況

      不同撞擊速度下,彈丸發(fā)生破碎時(shí)的臨界直徑和完全破碎時(shí)的臨界直徑隨撞擊速度的變化曲線如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可見,彈丸發(fā)生破碎的臨界直徑、彈丸發(fā)生完全破碎的臨界直徑均隨著撞擊速度的增加而增加。

      圖6 dpc與vp的關(guān)系曲線 圖7 dpcc與vp的關(guān)系曲線

      2.3 彈丸破碎和完全破碎時(shí)的臨界板厚

      確定不同彈丸撞擊速度、彈丸直徑下彈丸發(fā)生破碎時(shí)的臨界板厚tpc和彈丸發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界板厚tpcc。圖8給出了當(dāng)撞擊速度為2.0 km/s,彈丸直徑為6.0 mm時(shí)在不同的薄板厚度下彈丸的破碎狀態(tài)。由圖8可見,隨著板厚的增加,彈丸越容易發(fā)生破碎。

      圖8 不同板厚下彈丸破碎狀態(tài)

      計(jì)算彈丸直徑dp為4.0 mm時(shí),不同撞擊速度下彈丸發(fā)生破碎時(shí)和完全破碎時(shí)的臨界板厚,擬合曲線如圖9和圖10。由圖9、10可見,隨著撞擊速度的增加,彈丸破碎時(shí)的臨界板厚和完全破碎時(shí)的臨界板厚均逐漸減小。

      計(jì)算彈丸撞擊速度vp為2.5 km/s時(shí),不同彈丸直徑下彈丸發(fā)生破碎時(shí)和完全破碎時(shí)的臨界板厚,并擬合曲線如圖11和圖12。由圖11、12可見,隨著彈丸直徑的增加,彈丸破碎時(shí)的臨界板厚和完全破碎時(shí)的臨界板厚逐漸增加,并近似呈正比關(guān)系。

      圖9 tpc與vp的關(guān)系曲線 圖10 tpcc與vp的關(guān)系曲線 圖11 tpc與dp的關(guān)系曲線 圖12 tpcc與dp的關(guān)系曲線

      3 結(jié)論

      采用SPH方法擬合了彈丸破碎狀態(tài)特性的曲線,可得出如下結(jié)論:

      (1)彈丸撞擊速度越大,撞擊后彈丸破碎的小碎片越細(xì)化;且彈丸發(fā)生破碎和發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界速度均隨著彈丸直徑的增加而增加,并近似呈正比關(guān)系。(2)彈丸直徑越大,彈丸越不易破碎;且彈丸發(fā)生破碎和發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界直徑均隨著撞擊速度的增加而增加。(3)隨著薄板板厚的增加,彈丸越容易發(fā)生破碎;彈丸發(fā)生破碎和發(fā)生完全破碎時(shí)的臨界板厚隨著撞擊速度的增加而減小,隨著彈丸直徑的增加而增加,并近似呈正比關(guān)系。

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