蓋芳芳,　于麗艷,　于月民

(黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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非球形彈丸超高速撞擊充氣壓力容器碎片云特性數(shù)值模擬

蓋芳芳,于麗艷,于月民

(黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為解決非球形彈丸正撞擊充氣壓力容器問題,應(yīng)用非線性動力學(xué)分析軟件AUTODYN,在相同質(zhì)量和速度的條件下,采用光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)方法SPH,對具有不同長徑比的圓錐形彈丸、圓柱形彈丸撞擊壓力容器產(chǎn)生的碎片云特性進(jìn)行數(shù)值模擬,分別分析圓錐形彈丸、圓柱形彈丸長徑比對碎片云形態(tài)、尖端速度及徑向擴(kuò)展直徑的影響。結(jié)果表明:彈丸形狀及彈丸長徑比對碎片云在高壓氣體中的運(yùn)動特性影響較大。隨著彈丸長徑比的增加,圓柱形彈丸碎片云徑向擴(kuò)展直徑減小;隨著彈丸長徑比的增加,相同質(zhì)量和相同撞擊速度的圓錐形彈丸及圓柱形彈丸碎片云的損傷力增強(qiáng)。

超高速撞擊; 非球形彈丸; 壓力容器; 數(shù)值模擬; 碎片云

0　引　言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展,人類發(fā)射入軌的航天器數(shù)量越來越多,空間環(huán)境也隨之日益惡化,其對航天器的威脅也越來越大[1-3]。航天器上的各種壓力容器是用來儲存液體或含能高壓氣體的部件,是受空間碎片或微流星體威脅最大的關(guān)鍵部件之一[4-5]。壓力容器類部件受到空間碎片或微流星體的超高速撞擊將產(chǎn)生高速的碎片云,碎片云與容器內(nèi)的高壓氣體將發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,導(dǎo)致碎片云在氣體中發(fā)生減速運(yùn)動。微流星體和空間碎片的形狀多種多樣,不同形狀空間碎片撞擊容器后形成的碎片云特性不同[6-7],從而導(dǎo)致二次碎片在容器內(nèi)的運(yùn)動特性不同,即碎片云對容器后壁的損傷程度會不同。在一定條件下,碎片云對容器后壁的撞擊有可能導(dǎo)致容器發(fā)生災(zāi)難性的破壞,致使航天器過早失效。文獻(xiàn)[8-9]研究表明:在相同的撞擊條件下,非球彈丸比相同質(zhì)量的球形彈丸損傷性更大。而目前,對空間碎片的研究主要以球形彈丸為主,彈丸形狀對容器的損傷性能影響的研究較少,因此,有必要對不同形狀彈丸撞擊下產(chǎn)生的碎片云在容器內(nèi)的運(yùn)動特性進(jìn)行研究。超高速撞擊實(shí)驗(yàn)的速度、質(zhì)量、形狀和材料等的限制及費(fèi)用比較高,數(shù)值模擬成為研究碎片云特性的有效方法。光滑質(zhì)點(diǎn)流體動力學(xué)方法SPH適合超高速撞擊大變形、高應(yīng)變率現(xiàn)象的數(shù)值模擬,采用有效材料模型可以得到與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果[9]。

筆者采用AUTODYN軟件對非球形彈丸超高速正撞擊充氣壓力容器產(chǎn)生的碎片云運(yùn)動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。研究在相同質(zhì)量和撞擊速度的條件下,具有不同長徑比的圓錐形、圓柱形彈丸對超高速撞擊充氣壓力容器所產(chǎn)生碎片云運(yùn)動特性的影響,并分別針對彈丸長徑比對碎片云形態(tài)、尖端速度及徑向擴(kuò)展直徑的影響進(jìn)行分析。

1　數(shù)值模擬方案

數(shù)值模擬工況中彈丸材料均采用2A12鋁合金,質(zhì)量為316 mg;壓力容器為圓柱形,采用2A12鋁合金材料,壁厚為1 mm,壓力容器內(nèi)充氣體為氮?dú)?氣體壓力為1.0 MPa。彈丸正撞擊圓柱形充氣壓力容器的封頭中心,彈丸撞擊速度為5.0 km/s,如圖1所示(彈丸為球形)。

圖1　撞擊工況示意

文中彈丸形狀分別為圓錐形和圓柱形,彈丸形狀的特征幾何參數(shù)如表1所示。由表1可見,圓錐形彈丸有4組數(shù)值模擬工況,長徑比為0.12～2.89;圓柱形彈丸有3組數(shù)值模擬工況,長徑比為0.2～5.0。圖2給出了彈丸具體形狀及撞擊方向。

表1不同形狀彈丸的長徑比L/D

Table 1L/Dratios for non-spherical projectiles

圖2　彈丸形狀及撞擊方向

由圖2可見,圓錐形彈丸由錐底正面撞擊容器封頭,圓柱形彈丸由長度方向正撞擊容器封頭;其中,D表示圓錐形彈丸的底面直徑、圓柱形彈丸直徑,L表示圓錐形彈丸的高、圓柱形彈丸軸向長度。

應(yīng)用文獻(xiàn)[10]建立的彈丸正撞擊充氣壓力容器的數(shù)值模擬模型,對上述的7種形狀彈丸撞擊壓力容器的數(shù)值模擬工況進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用AUTODYN-2D軸對稱,采用SPH方法建立了數(shù)值模擬模型,如圖3所示。模型為鋁制球形彈丸撞擊圓柱形充氣壓力容器封頭中心,內(nèi)充氣體為氮?dú)?彈丸、容器的被撞擊截面與氣體采用SPH方法,而容器的其他部分采用殼體單元;SPH質(zhì)點(diǎn)的光滑長度為0.1 mm。

圖3　初始的幾何模型

2　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1圓錐形彈丸碎片云運(yùn)動特性

圖4給出了圓錐形彈丸撞擊容器壁5 μs及25 μs時的碎片云數(shù)值模擬結(jié)果。由文獻(xiàn)[11]可知,在撞擊發(fā)生后5 μs時,形成的碎片云與容器內(nèi)無氣體時形成的碎片云特性基本一致,因此,在撞擊發(fā)生后5 μs時碎片云可看成未受氣體影響的碎片云初始形態(tài)。

圖4　圓錐形彈丸碎片云運(yùn)動數(shù)值模擬比較Fig. 4　Comparison of debris cloud morphology produced by conical projectiles

由圖4可見,在撞擊發(fā)生后5 μs時,隨著圓錐形彈丸長徑比的增加,碎片云的初始形態(tài)也發(fā)生了較明顯的變化。隨著長徑比的增加,碎片云前端越來越突出,形成明顯的尖端,并且碎片云前端的材料由全部為容器壁材料到主要為彈丸材料。另一方面,隨著彈丸長徑比的增加,碎片云尖端開始出現(xiàn)了較大的未破碎的彈丸碎片,當(dāng)圓錐形彈丸長徑比為L/D=2.89時,碎片云前端包含未破碎的彈丸碎片長約為6.7 mm(約為原長的43.6%)。反之,隨著彈丸長徑比的減小,彈丸破碎得越完全。

在撞擊發(fā)生后25 μs時,由于容器內(nèi)高壓氣體的作用,碎片云發(fā)生減速運(yùn)動,碎片云前端形成了明顯“釘形尖端”。所謂“釘形尖端”是由于碎片云內(nèi)部的較大碎片及大部分質(zhì)量都集中在碎片云前端[12]、撞擊軸方向上,因此,當(dāng)碎片云與容器內(nèi)的高壓氣體發(fā)生相互作用時,碎片云中位于在撞擊軸方向的碎片減速最慢,形成釘形尖端。由圖4可見,隨著圓錐形彈丸長徑比的增加,釘形尖端越來越明顯。

圖5給出了具有不同長徑比的圓錐形彈丸形成的碎片云尖端速度v隨時間的變化曲線。通過對圖5中各曲線斜率的比較可以得出,對于圓錐形彈丸而言,隨著圓錐形彈丸長徑比的減小,碎片云尖端速度減速加快。當(dāng)L/D=0.12時,碎片云尖端減速最快,L/D=2.89時,碎片云尖端減速最慢。由圖4可見,L/D=0.12的圓錐形彈丸撞擊容器前壁后形成的碎片云外形類似圓錐形,并且彈丸破碎以后,一部分彈丸材料反濺,另一部分彈丸材料位于碎片云后端。因此,撞擊能力最強(qiáng)的碎片云尖端均由容器壁材料構(gòu)成,并且破碎較完全,即L/D=0.12的圓錐形彈丸撞擊形成的碎片云尖端材料質(zhì)量較少,并破碎較完全,碎片云中在撞擊軸方向上的碎片較小,導(dǎo)致減速最快。而L/D=2.89的圓錐形彈丸撞擊容器壁后,形成的碎片云中包含一部分未破碎的彈丸材料，如圖4所示,該大碎片具有較大質(zhì)量及速度,在氣體中運(yùn)動減速較慢。因此,對于圓錐形彈丸而言,L/D=2.89的圓錐形彈丸形成的碎片云尖端的損傷性最大。

圖5　圓錐形彈丸碎片云尖端速度比較

Fig. 5Comparison of tip particle velocity of debris cloud produced by conical projectiles

圖6給出了具有不同長徑比的圓錐形彈丸撞擊容器壁形成的碎片云徑向擴(kuò)展直徑隨時間變化的比較情況。由圖6可見,對于圓錐形彈丸而言,雖然L/D=0.12的圓錐形彈丸的徑向直徑最大(D=15.52 mm),但在相同的撞擊時間其碎片云的徑向擴(kuò)展直徑最小,即碎片云對容器后壁的損傷面積最小。

圖6　圓錐形彈丸碎片云徑向擴(kuò)展直徑比較

Fig. 6Comparison of radial extension of debris cloud produced by conical projectiles

綜上分析得出,對于圓錐形彈丸,隨著長徑比的增加,碎片云尖端速度減慢;當(dāng)L/D=0.12時,形成的碎片云尖端速度最小,徑向擴(kuò)展直徑也最小;具有相同質(zhì)量、相同撞擊速度的圓錐形彈丸,當(dāng)以錐底撞擊容器時,彈丸的長徑比越小,形成的碎片云損傷力越小。

2.2圓柱形彈丸碎片云運(yùn)動特性

具有不同長徑比的圓柱形彈丸撞擊容器后產(chǎn)生的碎片云數(shù)值模擬如圖7所示。由圖7可見,在撞擊發(fā)生后5 μs時,當(dāng)L/D=0.5,彈丸破碎較完全,當(dāng)L/D>0.5時,撞擊后形成的碎片云前端包含未破碎的彈丸材料;當(dāng)L/D=5.0時,撞擊后彈丸的剩余長度約為8.57 mm,即彈丸在撞擊后剩余長度約為原長的56%(彈丸原長L=15.35 mm)。也就是說,隨著彈丸長徑比的減小,彈丸破碎得越完全。

圖7　圓柱形彈丸碎片云運(yùn)動數(shù)值模擬比較

Fig. 7Comparison of debris cloud morphology produced by cylindrical projectiles

在撞擊發(fā)生后25 μs時,具有不同長徑比的圓柱形彈丸形成的碎片云前端也形成了明顯的“釘形尖端”,并也隨著彈丸長徑比的增加,釘形尖端越明顯。

圖8給出了具有不同長徑比的圓柱形彈丸形成的碎片云尖端速度隨時間變化的比較。由圖8中曲線斜率可知,隨著彈丸長徑比的減小,碎片云尖端減速加快。

圖8　圓柱形彈丸碎片云尖端速度比較

Fig. 8Comparison of tip particle velocity of debris cloud produced by cylindrical projectiles

綜上所述,圓柱形彈丸與圓錐形彈丸類似,隨著彈丸長徑比的減小,碎片云破碎得越完全,碎片云尖端減速越快,即碎片云的尖端損傷力越小。

圖9中給出了具有不同長徑比的圓柱形彈丸撞擊容器壁形成碎片云徑向擴(kuò)展直徑隨時間變化的比較。由圖9可見,隨著彈丸長徑比的增加,碎片云徑向擴(kuò)展直徑越小;當(dāng)L/D=5.0時,彈丸形成的碎片云徑向擴(kuò)展直徑最小,即碎片云對容器后壁的損傷面積最小。

圖9　圓柱形彈丸碎片云徑向擴(kuò)展直徑比較

Fig. 9Comparison of radial extension of debris cloud produced by cylindrical projectiles

綜合對圓柱形彈丸碎片運(yùn)動特性的分析,雖然L/D=5.0的圓柱形彈丸對容器后壁損傷面積較小,但研究表明[12-13],由于碎片云大部分質(zhì)量集中在碎片云前端,速度較高,即碎片云主要撞擊能量集中在其前端,因此,在僅考慮碎片云對容器后壁的損傷能力的情況下,L/D=5.0的圓柱形彈丸對容器后壁損傷力更大?；谏鲜龇治隹梢?對圓柱形彈丸而言,隨著彈丸長徑比的增加,形成的碎片云損傷力增強(qiáng)。

3　結(jié)　論

應(yīng)用非線性動力學(xué)分析軟件AUTODYN,采用SPH方法對非球形彈丸正撞擊充氣壓力容器產(chǎn)生的碎片云特性進(jìn)行了研究。研究表明:對于具有相同質(zhì)量、相同撞擊速度的圓錐形彈丸及圓柱形彈丸,均隨著彈丸長徑比的減小,碎片云尖端速度減速加快;對于圓柱形彈丸,隨著彈丸長徑比的增加,碎片云徑向擴(kuò)展直徑減小;對于具有相同質(zhì)量、相同撞擊速度的圓錐形彈丸及圓柱形彈丸,隨著彈丸長徑比的增加,碎片云的損傷力均增強(qiáng)。

空間碎片形狀各異,文中只對兩種較特殊的彈丸形狀進(jìn)行了分析,計(jì)算結(jié)果具有一定的局限性。

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(編輯李德根)

Numerical simulation on characteristics of debris clouds produced by non spherical projectiles hypervelocity impact on pressure vessels

GAIFangfang,YULiyan,YUYuemin

(School of Science, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at identifying the characteristics of debris clouds produced by non spherical projectiles hypervelocity impact on pressure vessels at normal angles, this paper introduces the use of SPH (smoothed particle hydrodynamics) methods in AUTODYN and an investigation into characteristics of debris cloud produced by conical projectiles and cylindrical projectiles with different ratio between length and radius hypervelocity impact on pressure vessels with the same mass and velocity by numerical simulation. Effects of the ratio between length and radius of the projectiles affecting on the form of debris cloud, tip particle velocity of debris cloud and radial extension of debris cloud are analyzed. The result shows that the shape of the projectiles and the ratio between length and radius have a greater effect on the dynamic characteristic of debris cloud. Moreover, the increasing ratio between length and radius with cylindrical projectiles results in a decreased diameter of debris cloud, and the damage of debris cloud rises up due to increasing ratio between length and radius both with conical projectiles and cylindrical projectiles.

hypervelocity impact; non spherical projectiles; pressure vessels; numerical simulation; debris cloud

2013-04-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11202070)

蓋芳芳(1981-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,博士,研究方向:超高速撞擊壓力容器破損行為及防護(hù),E-mail:fang19811119@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.004

O347

1671-0118(2013)03-0231-05

A