[發明專利]柱形彈丸撞擊下空間碎片防護結構彈道極限方程獲取方法

有效

• 申請號: 201810769770.0
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN108763836B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 武強;龔自正;張品亮;曹燕;田東波;宋光明
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/15;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
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1.柱形彈丸撞擊下空間碎片防護結構彈道極限方程獲取方法，包括以下步驟：

(1)等效原則轉化

采用質量等效原則，將不同長徑比柱形彈丸統一轉化為同等質量球形，獲得對應的等效球形彈丸直徑，轉化關系如下：

d_c＝(6M/πρ_p)^1/3

式中M為柱形彈丸質量，ρ_p為柱形彈丸材料密度，d_c為等效后對應的球形彈丸直徑；

(2)仿真計算

基于流體動力學仿真系統，防護結構材料選用狀態方程、本構模型，對應狀態方程為Tillotson方程，本構模型為Johnson-Cook模型，防護結構幾何參數與試驗工況相同；在仿真模型有效性驗證的基礎上開展仿真計算，將撞擊后防護結構后墻發生層裂或穿孔作為失效準則，此時對應的彈丸質量稱為臨界彈丸質量,對應的彈丸直徑稱為等效臨界彈丸直徑；

(3)確定速度分段點

基于柱形彈丸的等效臨界彈丸直徑隨撞擊速度的變化趨勢，確定柱形彈丸不同長徑比下對應的速度分段點；

(4)定義形狀系數

經典彈道極限方程根據速度的不同分為三個區域，分別彈道區、破碎區、熔化/汽化區，其中彈道區、熔化/汽化區方程均是基于固體粒子建立的侵徹方程；其中在彈道區方程、熔化/汽化區方程中引入基于無量綱長徑比f的形狀系數K(f)：

式中d_c＝(6M_cy/πρ_p)^1/3為利用質量等效原則，將非球形彈丸轉化為同質量球形彈丸對應的直徑；ρ_p為彈丸密度(g/cm3)；ρ_b為防護屏密度(g/cm3)；t_w為后板厚度(cm)；s為防護間距(cm)；v₀為彈丸撞擊速度(km/s)；θ為撞擊速度與靶板法線方向夾角(°)；σ為后板屈服強度(ksi)；將仿真獲得的等效臨界彈丸直徑、防護結構參數、撞擊速度、以及不同長徑比下對應的速度分段點帶入方程(1)，獲得對應速度條件下的形狀系數K(f)；

(5)形狀系數方程擬合

無論是彈道區還是熔化/汽化區，柱形彈丸形狀系數隨長徑比變化明顯，而同一長徑比下形狀系數隨撞擊速度變化不大，由此認為柱形彈丸形狀系數只與長徑比相關，與撞擊速度無關，對彈道區、熔化/汽化區形狀系數進行擬合，獲得與長徑比f相關的形狀系數方程；

(6)獲得柱形彈丸彈道極限方程

將形狀系數方程K₁(f)、K₂(f)分別帶入方程(1)獲得可表征不同長徑比柱形彈丸撞擊效應的彈道極限方程。

2.如權利要求1所述的方法，其中，質量等效原則能夠在保證彈丸撞擊動能一致的前提下分析不同形狀對防護結構的侵徹能力。

3.如權利要求1所述的方法，其中，基于等效球形彈丸直徑建立對應的彈道極限，實現非球形柱形彈丸與球形彈丸侵徹能力的可比性。

4.如權利要求1所述的方法，其中，仿真計算中，為確定不同撞擊速度下不同長徑比柱形彈丸對應的臨界穿透質量，將等效后的球形彈丸直徑作為變量，直徑變化步長為0.2mm，固定撞擊速度，變化等效彈丸直徑，將介于防護結構失效與未失效之間的平均彈丸直徑作為等效臨界彈丸直徑，從而獲得不同速度下空間碎片防護結構對應的等效臨界彈丸直徑。

5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其中，防護結構選用Whipple防護結構，防護間距為100mm，防護屏選用鋁板。

6.如權利要求1-4任一項所述的方法，其中，柱形彈丸材料均為LY-12鋁，長徑比分別為0.5、1、2。