免费论文：碎片对航天器蜂窝夹层板结构超高速碰撞研究

空间碎片环境日益恶化，威胁在轨航天器的安全运行。卫星的碎片防护能力主要由其表面的蜂窝夹层板结构提供，而目前对蜂窝夹层板结构的超高速碰撞特性和防护性能的研究还不能满足工程需要，为此本文利用数值仿真方法对这一问题进行探讨，旨在为航天器蜂窝夹层板结构的碎片防护性能评估和结构设计提供依据。数值仿真方法的适用性是超高速碰撞仿真研究的基础。将Lagrange网格方法、Euler网格方法、SPH方法和SPH-FEM混合算法分别应用于超高速碰撞问题的数值求解，通过与物理试验结果的比较，确定将SPH-FEM混合算法作为本文采用的主要数值仿真方法。本文研究了不同本构模型和状态方程对仿真结果的影响，给出了根据碰撞速度选择本构模型和状态方程的方法。材料参数的准确性是影响数值仿真精度的关键因素之一，针对我国航天器常用的国产铝合金材料5A06，本文提出了一种基于响应面方法和优化技术的材料参数识别方法。该方法利用数值仿真建立材料参数和穿孔直径之间的响应面，以物理试验结果和响应面之间误差最小为目标，通过寻优得到材料参数。本文条件下，这种方法能够将数值仿真结果的准确性提高7％。应用数值仿真技术，本文开展了蜂窝夹层板结构超高速碰撞特性的研究。正碰撞时，小碎片（直径 mm）碰撞后产生的碎片云主要在碰撞中心的蜂窝芯子所形成的通道中运动，不易扩散，在后面板上形成的穿孔与一个蜂窝芯子大小相当；斜碰撞时，碎片云与更多的蜂窝芯子发生碰撞使碎片云更加分散，与后面板的碰撞面积增加，形成多个穿孔。应用正交试验设计方法安排一系列特征点的仿真计算，研究了蜂窝夹层板各结构参数和碰撞角度对超高速碰撞结果的影响，发现碰撞角度和蜂窝夹层板的面板厚度是影响较大的参数，而蜂窝芯子的壁厚、大小和高度对碰撞结果的影响很小。弹道极限方程是超高速碰撞研究的一个重要内容，本文运用均匀试验设计和数理统计方法，在系统仿真的基础上建立了蜂窝夹层板结构在超高速碰撞条件下的弹道极限方程，与公开发表的物理试验结果相比，该方程具有较好的预测准确性。较大的空间碎片（直径 mm）可以穿透蜂窝夹层板结构，在航天器内部形成碎片云，对航天器内部器件造成损伤。本文开展了蜂窝夹层板结构超高速碰撞碎片云特性的研究，分析了不同碰撞条件对碎片云中碎片大小、速度的影响，建立了空间碎片动能损失率的预测公式。通过比较等面密度的蜂窝夹层板、双缓冲墙和单缓冲墙，发现蜂窝夹层板结构的防护性能介于双缓冲墙和单缓冲墙之间。基于经典弹道极限方程，给出了蜂窝夹层板结构作为航天器壁板时碎片云对航天器内部器件损伤评估的方法。

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