原文
数量:6 (2)模拟Hyper-Velocity影响微丸的分层保护配置
- *通信:
-
Govind G机械和航空航天工程学院,南洋理工大学,新加坡639798年,新加坡
电话:+ 6567911744;电子邮件: (电子邮件保护)
收到日期:2017年3月13日,接受日期:2017年5月17日发表日期:2017年5月22日,
引用:Govind g .模拟Hyper-Velocity影响微丸的分层保护配置。J空间空洞。2017;6 (2):123。
文摘
数值调查进行评估分层保护配置的性能对超速的影响微丸名义上旅行的速度7.3公里/秒。大多数微粒在太空中包含或拥有特征类似于铝、浮法玻璃、钢粒子。因此,这三种材料是用于这个数值调查撞屏蔽的分层配置。two-foil盾配置建模使用铝作为第一个和Ti-6Al-4V作为第二个保险杠衬托。模拟场景影响微丸直径一致的维度,第一个箔厚度和第二个箔厚度测量47μm 8μm 15μm分别。事件影响的数值分析是使用平滑粒子流体动力学的处理器执行AUTODYN hydrocodes,造型和材料使用状态方程中完成了本构强度和累积损伤模型。目前的研究表明,分层保护配置被认为可以有效对抗沉积铝和浮法玻璃微粒的影响。一毫米厚,Ti-6Al-4V板,然而,另外需要在5毫米距离保护配置第二个箔承受刚性微粒的影响,如钢。
关键字
超速影响;空间碎片;微流星体;光滑粒子流体动力学
介绍
自从第一颗人造卫星“斯普特尼克”,成立于1957年,人类不断努力探索空间导致太空任务急剧增加,导致累积的漂浮碎片和微粒。这使得太空探索不安全因为与这样的空间碎片碰撞的风险增加(SD)。长时间曝光设施(数值)袭击了超过34000次的流星体和碎片在其飞行5.7年(1]。空间站也已被成千上万的碎片大于0.1毫米。一项研究表明,10厘米直径SD旅行在10 - 15公里/秒可能摧毁一吨的卫星(2]。评估这个严重的问题,空间组织在世界各地不断审查外层空间预测SD人口。根据一份报告3),SD和micro-meteoroids (MM)空间访问程序构成巨大威胁。这份报告的数据组织太空垃圾分类,根据其大小。今天,SD存在于数万亿在外层空间的大小,但只有一小部分被标记由于从地球上跟踪能力的限制。这需要有效的策略来保护卫星和航天器对SD和毫米。在各种方法中,首先是一个活跃的方法,在船上系统识别的威胁在指定的距离,以便规避机动的飞船可以执行。第二种方法是一个被动的方法,在保护通过卫星和太空探测部分实现的附加层材料,作为抵御SD的影响或毫米。这种方法提供了更好的可靠性对于反应和可持续性。
第一个被动保护配置是two-plate惠普尔提出的配置(4]。屏蔽设计包括前层(保险杠)和后墙放置在一定的距离。前层促进爆炸影响粒子的成喷雾的小碎片。这种配置的成功实施后,许多研究人员(1,5- - - - - -15)提出了不同的改进配置,如三墙,蜂窝夹层板、multi-shock盾牌,网双缓冲保护,塞惠普尔盾牌,拓扑修改的大盾,单保险杠盾牌和灵活的缓冲保护,对超速度的影响等,使用(构建院系)。
首先,任何保护配置的测试在实验室构建院系需要一代的场景构建院系类似外太空中找到。其次,很少设施配备粉尘加速器,能力有限和构建院系测试通常是昂贵的。动态载荷作用下的结构行为的测量是一项繁重的任务(16]。实验设置相当昂贵,需要精确操作的专业培训。为了解决这个问题,许多自身的分析和仿真工具开发的空间机构和国防组织的两个主要特性,应考虑在处理构建院系现象,惯性效应在控制方程和瞬态现象17]。现在可以使用商业hydrocodes;例如,LS-Dyna MSC-Dytran ANSYSAUTODYN®可以满足高速事件仿真(18- - - - - -20.]。当前工作提出了一种数值方法,提供了深入了解和分析分层保护的性能配置构建院系的微型SD。调查议员和盾牌的几何配置是基于一个工作你慕尼黑(21]。目前的研究包括two-foils保护配置的数值分析反应过程对超高速微粒的影响(MP)三种不同的材料做的。此外,它描述了运动和几何参数的碎片的碎片云,由议员和屏蔽衬托。
理论背景
微观粒子的影响(MP)是一个瞬态事件涉及的过度变形和热软化。重要的是要考虑主导力量,惯性效应和相变。主要有两种类型的压力主导变形机制即:静水和偏可以表示为方程(1)。
(1)
在方程(1),它是流体静力学的结合压力(体积应力)和偏压力(占形状的变化材料在加载条件下)。许多计算设备和hydrocodes已经发展了一段时间预测的反应极端的动态加载条件下材料的准确。Jonhson-Cook (JC)本构力量模型被用来描述一个数值模拟的金属22]。第一个方括号术语表达了压力作为一个等效塑性应变的函数。第二和第三架术语代表染色率分别灵敏度和热软化材料的。这个方程结合流压力(σ)金属塑性应变的函数,随着染色率高的效果。
JC方程(2)构成的参数,一个初始屈服应力,B,应变硬化常数C,应变率敏感性常数。在方程(2)、无因次塑性应变率
是应变率比应变速率用户定义的引用。T*米考虑了材料热软化效应。
(2)
方程(3)是一个Johnson-Holmquist (JH)材料模型,一个现象学本构,结合强度,多项式方程和损伤模型复制的脆性材料(如浮法玻璃)。它表明增加脆性材料的强度由于静水压力。JH的模型使用归一化参数,提出了:
(3)
失败的造型金属使用累积伤害已经完成模型由Johnson-Cook开发。类似于consititutive强度模型,它结合了的影响压力三轴、温度和应变速率破坏应变。相当于破坏应变可以表示为方程(4):
(4)
在方程(4)
(23]。在方程(5),当D方法1,发生故障。
(5)
在two-foil配置中,交互的议员首先箔诱导激波(压缩波),从后方箔表面的议员。一旦它到达箔的后面,反映了随着拉伸压缩波造成分裂的衬托。考虑到静水压力在金属箔材料,使用状态方程(EOS)。方程(6)的一般形式是Mie-Gruneisen配方描述材料的密度、压力的影响和内部的能量。它提供的信息冲击装卸对材料在构建院系和温度效应的影响由于冲击卸货。
(6)
在超速现象影响固体,偏应力占主导地位的压力。在方程(6),P的压力,P裁判参考曲线的压力,E具体的内部能量,E裁判,具体的内部能源的参考曲线,V具体的体积,
是格吕奈森函数。
数值模拟
以下部分将解释微观粒子的几何形状和薄箔和距离。它还将呈现材料的选择MP,衬托和一个简短的有限元程序。调查议员和盾牌的几何配置是基于一个工作你慕尼黑(21]。
数值模型
立即地球空间由微观粒子/ s (MP)的人造物体,微流星体(毫米),和空间不断旋转与周围的灰尘。然而,这是一个艰巨的任务有机械性能的议员代表议员在数字域特征。目前研究三种类型的材料是用来代表议员即:铝、浮法玻璃和钢铁4340年。这三种类型的材料脆性的综合效应,和刚性材料。抛射体的几何选择和多个箔厚度根据进行工作选择了马丁Rott在涂慕尼黑,德国和实际实验进行了聚合物膜对脆弹[21]。表1。包含信息的几何参数数值设置如下:第一个箔(铝)0.20毫米的半径和厚度8μm,而第二个箔(钛)15μm厚5毫米半径。箔之间的距离是5毫米。微观粒子(MP)是球面直径47μm和旅行为7.3公里/秒。
| 微丸的半径 | 0.0235毫米 | |
| 首先箔的厚度 | 0.008毫米 | |
| 第一个半径箔 | 0.20毫米 | |
| 其次箔的厚度 | 0.015毫米 | |
| 第二个半径箔 | 5.0毫米 | |
| 微丸的速度 | 7.3公里/秒 | |
| 微丸质量 | ||
| al - 2024 - t3 | 1.51十4毫克 | |
| 浮法玻璃 | 1.37十4毫克 | |
| 钢 | 4.21×104毫克 | |
表1。保护配置的细节。
空间等级材料必须通过特定的测试和程序适用于太空任务,这在真空中运作。这样的材料应当表现出优良的强度,热和电气性能,特点来满足需求的空间环境。铝和钛合金一直都是航天器结构不可分割的一部分,因为他们满足所有要求空间包括耐升华和脱气(24]。因此,对于造型的目的在最近的研究中,选择Aluminum-T2024第一保险杠箔和第二箔与Ti-6Al-4V见模仿图。1。
图1:保护配置用于数值研究的基本影响。
表2。包括案例研究数值分析。在数值建模,衬托的半径减少计算时间和成本降到最低。在AUTODYN®,二维轴对称模型用于表示屏蔽设置。
| 情况下 | 微丸 | 第一个陪衬 | 第二个陪衬 | 见证板 | 距离 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | al - 2024 - t3 | al - 2024 - t3 | Ti-6Al-4V | 不习惯 | 5毫米 |
| 2 | 浮法玻璃 | al - 2024 - t3 | Ti-6Al-4V | 不习惯 | 5毫米,10毫米 |
| 3 | 钢4340 | al - 2024 - t3 | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V | 5毫米每 |
表2。配置多个衬托盾的细节。
数值模拟过程
,做一个短暂的现象,影响MP和保护配置的互动时间非常小。这意味着变形高度本地化与低速冲击和专注于一个较小的区域在撞击器就足够了。有限元分析软件AUTODYN®用于离散化屏蔽和MP配置,因为它可以加上质量方程,动量或能源保护和材料描述提供时间历史的几何和材料非线性。包集成与光滑粒子流体动力学(SPH)处理器使模拟问题涉及过度变形(25]。它可以避免网格畸变,网状缠绕的问题,更有可能发生由于过度变形。它不需要侵蚀算法来避免高变形(26]。SPH方法、形状或几何图形定义与粒子的集合或点,而不是节点和元素。任何感兴趣的粒子的价值可以通过总结计算相邻粒子的贡献函数。随着变形的发展,粒子运动以及它和邻近粒子的位置变化。粒子近似执行在每一个时间步的仿真。平滑长度起着至关重要的作用在该方法的精度和效率。材料的动态加载下的行为是模仿使用JC公式(公式2)金属,JH模型对脆性材料(公式3)加上累积损伤法律方程(5)。在这种极端条件下,材料将进行相变和复制这种行为,EOS使用方程(6)。表3包含系数用于仿真工作;这些参数被计算在高应变率(27- - - - - -30.]。
| JC-Parameters | al - 2024 - t3 | 钢4340 | Ti-6Al-4V | JC-Damage参数 | al - 2024 - t3 | 钢4340 | Ti-6Al-4V | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (MPa) | 369年 | 1430年 | 1098年 | D1 | 0.13 | 0.05 | -0.09 | ||
| B (MPa) | 684年 | 2545年 | 1092年 | D2 | 0.13 | 3.4 | 0.25 | ||
| n | 0.73 | 0.70 | 0.93 | D3 | -1.5 | -2.12 | -0.50 | ||
| C | 0.0083 | 0.014 | 0.014 | D4 | 0.011 | 0.002 | 0.014 | ||
| 毫克ydF4y2Ba | 1.7 | 1.03 | 1.1 | D5 | 0 | 0.61 | 3.87 | ||
| 线性冲击EOS | |||||||||
| al - 2024 - t3 | 钢- 4340 | Ti-6Al-4V | |||||||
| 格吕奈森系数 | 2.0 | 1.67 | 1.230 | ||||||
| 参数C1 | 5328米/秒 | 4578米/秒 | 5130米/秒 | ||||||
| 参数的年代1 | 1.338 | 1.33 | 1.0280 | ||||||
表3。Johnson-cook强度和损伤参数。
从AUTODYN浮法玻璃材料特性了®库本身的材料。列出了材料的强度和破坏系数表4(25]。
| JH的力量模型参数 | 密度 | 2.530克/厘米3 | JH失败模型参数 | 水电拉伸极限 | -1.50 e5kPa |
| 剪切模量 | 平均绩点30.4 | 损害常数D1 | 0.05300 | ||
| 冥界 | 平均绩点5.95 | 损害常数D2 | 0.8500 | ||
| 常数 | 0.930 | 膨化常数ß | 1.0 | ||
| 指数N | 0.770 | 多项式EOS参数 | |||
| 应变速率C | 0.00300 | ||||
| 常数B | 0.08800 | ||||
| 指数 | 0.0350 | 体积弹性模量一个1 | 平均绩点45.4 | ||
| 强度比 | 0.500 | 参数2 | -138年平均绩点 | ||
表4。浮法玻璃JH强度和故障参数
议员之间LD乐动体育官网的接触和保护配置被定义为外部交互的差距。之间的最小间隙大小两个拉格朗日部分没有加入决心是1/10th的最小粒子的大小。初速度维持在7.3公里/秒,而粒子箔是静止的。固支边界条件应用于限制运动解体箔碎片的边缘。整个配置使用SPH模拟粒子,3、61564的数量,平均为每个模拟。
数值结果与讨论
本节将提供定量和定性的测量在进行数值研究。第一箔坑的大小,第二个衬托中列出表5。很明显,没有发现坑第二箔的议员是由铝而对于浮法玻璃的情况,该议员穿透。直径的陨坑第一箔是最大的第一情况箔材料的密度和议员是相似的。对于第二种情况,火山口直径小于MP直径;这可能是由于浮法玻璃的脆性MP。
| 文章的影响观察 | 铝 | 浮法玻璃 | 钢 |
|---|---|---|---|
| 第一箔火山口直径d1(µm) | 56.71 | 43.657 | 50.40 |
| 第二箔坑直径d2(µm) | 没有 | 2.7365 | 64.07 |
| 第二箔的直径覆盖的片段,毫米 | 1.46 | 1.4 | 0.80 |
| 火山口直径在见证板(0.5毫米厚) | - - - - - - | - - - - - - | 76.123 |
| 火山口直径在见证板(1.0毫米厚) | - - - - - - | - - - - - - | 56.264 |
表5所示。影响观察。
图。2描述了动力学和几何参数的直流模拟。α和β是通过计算平均速度组件。碎片云的前端直径(D1)主要是由议员的碎片,碎片云的外径(D2)包含整个衬托和国会议员的碎片。H是直流之前的距离与第二箔交互。
图2:碎片云的几何描述。
碎片云(DC)是通过观察动力学特征和几何参数和结果给出表6。这些观察是在直流充分发展和与第二金属箔或背面的墙上。发现没有多少区别的直流动力和几何参数铝议员和浮法玻璃MP,但第三例钢(MP)显示显著差异的参数,尤其是直流速度。
| 情况下 | 一个° | ß° | D1 毫米 |
D2 毫米 |
H 毫米 |
V1 公里/秒 |
V2 公里/秒 |
V3 公里/秒 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 案例1 | -56.26 | 51.92 | 1.5388 | 1.7503 | 4.9602 | 6.8531 | 5.422 | 4.012 |
| 案例2 | -57.20 | 50.90 | 1.2817 | 1.8321 | 4.9352 | 6.5976 | 5.8910 | 5.1728 |
| 案例3 | -54.90 | 54.63 | 1.14 | 1.366 | 4.927 | 8.65 | 7.15 | 6.012 |
表6所示。碎片云的几何参数和运动参数。
碎片的飞行角度和喷出物的角度几乎在所有三个案例相同。在第三个案例研究中,轴向速度的片段(特别是在前面的DC)发现高于议员的冲击速度。可能由于较重的势头议员的轻片段前箔旅行方向相同。
图。3。说明了开发的直流的元素时,国会议员与保险杠箔交互。
图3:所有三例碎片云的形状。
保险杠箔超薄,多层次的粒子组成。交互,产生压缩波箔,这压缩了粒子越来越提高了压力表面的金属箔和国会议员。波传播通过材料和粒子的速度变化,影响和压力压力州的材料。在第一种情况下,国会议员(铝)具有相同的密度作为第一个保险杠箔,有些空洞的形状可能会看到在直流。
在第二种情况下,国会议员(浮法玻璃)密度低于所使用的铝箔,它打破了均匀但主要携带浮法玻璃碎片。在第三的情况下,议员(钢铁)高出三倍密度比第一箔,箔后休息,但破碎成更小的碎片云不像前面的情况。直流的形状在所有三个案例是椭圆形,主要由碎片从第一个保险杠箔和独立于它的厚度。唯一明显改变前碎片云的形状,可能由于相互作用的持续时间。空心球形明显在第一种情况下,这说明了均匀分布和碎片能源分散,而在第二种情况下积累的碎片的中心。第三,第一个箔是无法分割的影响MP。并给出了议员和第二箔条件图。4。和图。5。分别。
图4:Al2024T3议员post-HVI条件(a)、(b)浮法玻璃和钢(c) 4340。
图5:第二箔的条件(一)Al2024T3构建院系后,(b)浮法玻璃,钢铁4340 (c)。
观察表明,浮法玻璃粒子完全损坏但仍设法渗透第二箔,铝议员无法穿透第二箔尽管它还有一个未损坏的部分。这可以归因于释放冲击波。一些能源仍在材料作为热能,这热能源是突然增加的温度在交互。这种残余温度1800 K和增加冲击强度增加;冲击强度增加而影响速度。影响期间,铝的温度达到2615 K而浮法玻璃,它是2127 K。铝的熔化温度低于浮法玻璃,因为这个,铝议员碎片蒸发和融化在早期形成的前层。这些液体滴可能导致渗透作为负荷,但由于他们光质量和均匀分布的片段,他们没有穿透第二箔。浮法玻璃,大部分的碎片留在中心和不均匀分布。这导致的轴向速度增加碎片形成火山口箔第二对峙。钢的议员,温度上升至1000 K,是因为它有一个非常小的接触时间箔和钢有很高的熔点。LD乐动体育官网第三情况下,钢议员仍然几乎完整的经过第一箔和旅行速度增加由于动量守恒。 The mass of DC varied in all three cases, which did not have much effect on the DC velocity, but it caused changes in the shape and geometry of DC.
提出了研究进行了数值建模的超速影响微粒(MP)在薄箔保护配置。数值调查已经进行三种类型的议员即:铝,浮法玻璃,钢4340。这些议员的影响的影响进行了分析和关键的观察和描述的方法提出了碎片云。议员第一箔之间的相互作用(铝)施加力量进一步导致激波(压缩性质)旅行从前面到后面的表面。这些冲击波反射边界旅游当作拉伸冲击波引起的散裂后铝箔的表面。这些冲击波导致压力和温度分布不连续箔,导致相变从固体到液体,蒸汽和液体。在第一个案例研究中,直流似乎均匀分布由于类似第一箔和议员材料的密度值。第二的位置箔(僵局)5毫米允许直流扩大足以消散能源之前与第二金属箔。数值研究表明,提出的保护配置可以抑制损伤是因为议员(铝)及其碎片限制在第二个箔。第二种情况(浮法玻璃)的研究中,直流造成损害的中心第二箔和创建一个坑孔。
这允许直流的碎片穿过火山口洞。减轻这种伤害,距离增加在随后的模拟。距离的增加使得碎片传播和结果描述第二箔。同时,直流受到限制。在第三个案例研究(钢),由于其高密度和刚度,议员没有粉碎后与第一个交互箔。损失在第一和第二个箔是严重的。抑制损伤,一个额外的板(0.5 mm - 1.00 mm厚)被放置在5.0毫米从第二箔。进一步的调查显示,一个1毫米厚板Ti-6Al-4V可以停止任何这种类型的议员的碎片。这是观察到的相对属性议员和箔材料中吸收构建院系。越来越重的议员如钢铁,不仅穿透更轻的材料的衬托也传授更多能源铝箔碎片增加他们的旅行速度。
结论
目前的研究提供了一个定性评估的现象模拟的超速影响议员在多个使用AUTODYN衬托保护配置®。研究表明,多个衬托盾配置可能会抑制损害造成的议员由铝和浮法玻璃。第一个陪衬,当铝做的,是容易破碎的影响MP。这还发现分发的动量产生美好的片段,后来被吸收或克制的对峙箔Ti-6Al-4V做的。这个数值分析的可视化辅助各种机制下超速影响事件。指出,通过增加距离增加了碎片云旅行所需的时间,并允许它扩大,导致减少毁灭性的能量。浮法玻璃的议员,距离10毫米衬托减轻构建院系之间的伤害。
然而,拟议中的两个衬托盾配置不能抑制造成的损害议员由钢4340。进一步的模拟显示,需要另一个目击者盘1毫米厚度完全抑制的损害。
承认
作者想表达感谢马丁Rott,慕尼黑工业大学,德国,分享他的个人通信中的数据。计算工具的使用和其他支持,南洋理工大学,新加坡。
符号和缩写的列表
| 符号 | 定义 | 符号 | 定义 |
|---|---|---|---|
| 一个 | 初始屈服应力 | 利奥 | 低地球轨道 |
| B | 应变硬化常数 | 毫克ydF4y2Ba | 热软化参数 |
| C | 应变率敏感性常数 | 毫米 | 微流星体 |
| C0 | 拦截的震惊和粒子速度 | 国会议员 | 微粒 |
| D | 损伤指数 | n | 应变率指数 |
| D1 | 直径的碎片云面前 |  |
•冯•米塞斯流压力或等效流压力 |
| D2 | 直径碎片云 |  |
偏应力 |
| 直流 | 碎片云 |  |
静水压力 |
| EOS | 状态方程 |  |
应力三轴比例 |
| E | 内部能源由于激波 |  |
压力,密度 |
 |
无量纲的塑性应变率 | 年代1,年代2,年代3 | 斜率系数的, |
 |
应变率 | SD | 空间碎片 |
 |
用户定义的参考应变率 | SPH | 光滑粒子流体动力学 |
 |
破坏应变 |  |
融化,房间和相应的温度,分别 |
 |
等效塑性应变率 |  |
压缩因子 |
 |
在累积塑性应变增量 | V1 | 前面碎片速度 |
 |
累积塑性应变失败 | V2 | 中期碎片速度 |
| 地理 | 地球同步轨道 | V3 | 后碎片速度 |
| 构建院系 | 超速影响 | α | 飞行角 |
| 冥界 | Hugoniot弹性极限 | β | 喷出物的角度 |
| JC | Johnson-Cook |  |
Mie-Gruneisen系数 |
| JH | Johnson-Holmquist | 柯 | 动能 |
引用
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