[發(fā)明專利]柱形彈丸撞擊下空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程獲取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810769770.0
• 申請(qǐng)日: 2018-07-13
• 公開（公告）號(hào): CN108763836B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武強(qiáng);龔自正;張品亮;曹燕;田東波;宋光明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): G06F30/28;G06F30/15;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
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本發(fā)明公開了一種柱形彈丸撞擊下空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程獲取方法，包括等效原則轉(zhuǎn)化、仿真計(jì)算、確定速度分段點(diǎn)、定義形狀系數(shù)、形狀系數(shù)方程擬合、獲得柱形彈丸彈道極限方程等步驟，通過將形狀系數(shù)方程分別帶入仿真計(jì)算的方程獲得可表征不同長徑比柱形彈丸撞擊效應(yīng)的彈道極限方程。通過本發(fā)明獲得的柱形彈丸彈道極限方程，只需少量試驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)、修正，就可為工程設(shè)計(jì)提供參考，具有明顯的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間碎片防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種柱形彈丸撞擊下空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程獲取方法。

背景技術(shù)

空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，首先應(yīng)該進(jìn)行撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而確定防護(hù)結(jié)構(gòu)是否滿足防護(hù)要求，既要保證安全又要避免“過度設(shè)計(jì)”，增加航天器不必要的質(zhì)量和成本。彈道極限則是目前評(píng)價(jià)防護(hù)結(jié)構(gòu)方案的重要形式，用于描述防護(hù)結(jié)構(gòu)在空間碎片撞擊下處于臨界失效的狀態(tài)，通常的定義形式包括彈丸的直徑及撞擊速度、板的厚度、防護(hù)間距，艙壁強(qiáng)度等，相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系式即為彈道極限方程，通過關(guān)系式畫出的曲線即為彈道極限曲線。

當(dāng)前空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的彈道極限特性絕大部分是通過球形彈丸撞擊試驗(yàn)獲取的。而真實(shí)空間碎片形狀可以是任意的，且球形碎片數(shù)量極少，本身就不具代表性。大量研究表明，在相同的撞擊條件下非球彈丸比相同質(zhì)量的球形彈丸具有更強(qiáng)的損傷能力，這就導(dǎo)致了當(dāng)前空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)用的彈道極限方程未考慮彈丸形狀效應(yīng)的影響，不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、評(píng)估防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷特性，使航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在未知風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，受傳統(tǒng)輕氣炮系統(tǒng)發(fā)射能力的限制，球形彈丸發(fā)射速度很難達(dá)到8km/s以上。為了通過實(shí)驗(yàn)獲得8km/s以上速度下空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限數(shù)據(jù)，只能利用其他新型超高速發(fā)射技術(shù)，對(duì)應(yīng)彈丸形狀為飛片、圓柱等非球狀。這就需要通過形狀效應(yīng)分析，將不同長徑比柱狀彈丸對(duì)應(yīng)的彈道極極限等效為球形對(duì)應(yīng)的彈道極限，實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的評(píng)價(jià)，從而在8km/s以上速度段內(nèi)獲得更準(zhǔn)確的彈道極限方程。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可描述不同長徑比柱形彈丸撞擊損傷特性的撞擊極限方程及其獲取方法。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

柱形彈丸撞擊下空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程獲取方法，包括以下步驟：

(1)等效原則轉(zhuǎn)化

采用質(zhì)量等效原則，將不同長徑比柱形彈丸統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為同等質(zhì)量球形，獲得對(duì)應(yīng)的等效球形彈丸直徑，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：

d_c＝(6M/πρ_p)^1/3

式中M為柱形彈丸質(zhì)量，ρ_p為柱形彈丸材料密度，d_c為等效后對(duì)應(yīng)的球形彈丸直徑；

(2)仿真計(jì)算

基于流體動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)，防護(hù)結(jié)構(gòu)材料選用恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)方程、本構(gòu)模型，對(duì)應(yīng)狀態(tài)方程為Tillotson方程，本構(gòu)模型為Johnson-Cook模型，防護(hù)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與試驗(yàn)工況相同,在仿真模型有效性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上開展仿真計(jì)算，將撞擊后防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻發(fā)生層裂或穿孔作為失效準(zhǔn)則，此時(shí)對(duì)應(yīng)的彈丸質(zhì)量稱為臨界彈丸質(zhì)量,對(duì)應(yīng)的彈丸直徑稱為等效臨界彈丸直徑；

(3)確定速度分段點(diǎn)

基于柱形彈丸等效臨界彈丸直徑隨撞擊速度的變化趨勢(shì)，確定柱形彈丸不同長徑比下對(duì)應(yīng)的速度分段點(diǎn)；

(4)定義形狀系數(shù)

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