航天器防护材料数值仿真模型研究

admin · 发表于 2022-9-12 20:42:06

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空间碎片环境的日益恶化，使得航天器的安全运行受到很大的威胁。目前评估航天器防护效果的主要工具是航天器防护结构的超高速撞击弹道极限方程。获得防护结构的弹道极限方程的方法有理论分析，物理实验和数值仿真方法。其中，数值仿真方法是一种比较经济，高效的分析方法。但是想要运用数值仿真方法获得可靠性比较高的弹道极限方程，就必须建立能真实反映航天器防护结构和防护材料的数值仿真模型。本文以国内外常用的防护材料和防护结构为研究对象，建立了各种防护结构和防护材料的适用于超高速撞击的数值仿真模型。并基于所建立的数值仿真模型获得了航天器典型结构的弹道极限方程。文章建立了热防护材料MLI（Multi-layer insulation）的数值仿真模型，并研究了MLI的碎片防护效果，发现MLI结构能使碎片更充分破碎，进而减弱碎片对主体结构的后续损伤。其比等面密度的铝板有更好的防护效果。基于Truegrid的参数化建模方法，建立了蜂窝夹层板的离散模型。并利用相关的实验数据，进行了对应的仿真分析，仿真结果与实验结果符合较好，证明了建立的蜂窝夹层板的有限元模型的有效性。基于Solid单元算法，SPH算法，统一尺寸Shell单元和变厚度的Shell单元算法建立了航天器常用填充材料Betacloth、Kevlar、Nextel编织布的离散模型，并分析了各种方法的优缺点。发现，采用变厚度Shell单元的算法，既避免了在对编织结构填充SPH粒子时的界面不连续题目，又避免了采用Solid实体单元算法规模太大的题目。采用变厚度Shell单元算法建立的有限元模型更适合模拟编织材料在超高速撞击下的撞击特性。文章基于国内相关的超高速撞击实验数据，确定了常用填充材料Nextel/Kevlar的用于数值仿真的材料参数，并初步确定了热防护材料MLI的材料参数。基于量纲理论分析方法，确定了蜂窝夹层板结构、添加MLI材料的蜂窝夹层板结构和添加增强型MLI材料的蜂窝夹层板结构的超高速撞击弹道极限方程的一般形式。建立了这三种结构的数值仿真模型并进行了数值仿真分析，确定了这三种结构的弹道极限方程的相关系数，初步建立了这三种结构的弹道极限方程。为工程应用做了一定的参考。

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