状态方程和本构模型在超高速碰撞数值仿真中的影响

论文摘要

随着我国航天事业的迅猛发展,空间碎片环境日益恶化,严重地威胁着在轨航天器的安全运行。长寿命、高可靠的大型航天器对空间碎片防护设计的需求变得日益迫切。开展空间碎片防护技术研究,提高航天器在空间碎片环境中的生存能力已成为保障航天器安全刻不容缓的任务。超高速碰撞研究方法主要有三种:理论研究、数值仿真、实验研究。目前实验研究有很大的局限性,地面物理实验的速度只能达到7—8km/s,而且受到弹丸尺寸的制约;试验过程的观测又涉及到照相摄影技术、传感器技术等其它学科,这些技术在处理超高速碰撞问题时有很大的局限性;此外,物理试验研究费用很高,尤其是在超高速度下,弹丸的发射对于发射装置的损害更加严重,试验和维护费用惊人。这些因素都限制了超高速碰撞问题试验研究的进展。随着数值计算技术的发展和成熟,它的理论基础逐步完善,在科学研究中的作用也越来越大。数值仿真方法的适用范围广,可以不受碰撞条件的限制,许多物理试验无法实现的超高速碰撞问题都可以通过数值仿真方法来进行研究。在数值仿真中选用不同的状态方程和本构模型搭配对仿真的结果有很大的影响,为了提高数值仿真结果的准确性、真实性。选用适合的状态方程和本构模型是极为重要的,基于此,通过对碎片云和弹道极限曲线的数值仿真进而说明状态方程和本构模型在超高速碰撞数值仿真中的影响。本文工作如下:首先,通过在数值模拟中,研究了在同一本构模型下不同状态方程对碎片云各参数的影响,并得出在3—4km/s处Grüneisen状态方程与Johnson-Cook本构模型搭配的仿真结果比较精确,该搭配适合用在该速度段的数值仿真中。但该搭配的仿真值的误差随着弹丸速度的增加而增加;Liear状态方程不适合用在碎片云速度特性的数值仿真中;Tilloston、Puff、Polynomial三种状态方程的仿真结果定性上与实验值保持一致,但数值上存在一定的误差。其次,在数值仿真中,Steinberg本构模型与多种状态方程搭配的仿真结果要优于Johnoson-Cook本构模型的仿真结果。再次,因弹道极限曲线是超高速碰撞研究的一个重要内容,本文将不同状态方程和不同本构模型相互搭配对Whipple结构弹道极限曲线进行数值仿真,并将不同搭配的仿真结果与实验值进行比较得出适用于不同速度段状态方程和本构模型的搭配组合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 空间碎片超高速碰撞
• 1.2.1 超高速碰撞研究的特点
• 1.2.2 超高速碰撞的研究内容
• 1.2.3 超高速碰撞研究方法
• 1.3 超高速碰撞数值仿真
• 1.4 本文关注的研究领域及国内外研究进展
• 第2章 数值模拟方法
• 2.1 Largrang 算法
• 2.2 Eular 算法
• 2.3 SPH 算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 状态方程及本构模型
• 3.1 状态方程
• 3.1.1 Gruneisen 状态方程
• 3.1.2 Tilloston 状态方程
• 3.1.3 PUF 状态方程
• 3.1.4 Appy 状态方程
• 3.1.5 GRAY 三相状态方程
• 3-2 本构模型
• 3.2.1 Johnson-Cook 本构模型
• 3.2.2 Steinberg 本构模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 超高速碰撞中碎片云数值仿真
• 4.1 实体模型的建立
• 4.2 数值算法及选用的材料模型
• 4.3 数值仿真结果和分析
• 4.3.1 状态方程对碎片云数值仿真的影响
• 4.3.2 本构模型对碎片云数值仿真的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 Whipple 结构弹道极限曲线的数值仿真
• 5.1 实体模型的建立
• 5.2 数值算法及选用的材料模型
• 5.3 数值仿真结果和分析
• 5.3.1 状态方程对Whipple 防护结构弹道极限曲线的影响
• 5.3.2 本构模型对Whipple 防护结构弹道极限曲线的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献