非球形弹丸超高速撞击充气压力容器碎片云特性数值模拟

盖芳芳,　于丽艳,　于月民

(黑龙江科技大学 理学院, 哈尔滨 150022)



非球形弹丸超高速撞击充气压力容器碎片云特性数值模拟

盖芳芳,于丽艳,于月民

(黑龙江科技大学 理学院, 哈尔滨 150022)

为解决非球形弹丸正撞击充气压力容器问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN,在相同质量和速度的条件下,采用光滑质点流体动力学方法SPH,对具有不同长径比的圆锥形弹丸、圆柱形弹丸撞击压力容器产生的碎片云特性进行数值模拟,分别分析圆锥形弹丸、圆柱形弹丸长径比对碎片云形态、尖端速度及径向扩展直径的影响。结果表明:弹丸形状及弹丸长径比对碎片云在高压气体中的运动特性影响较大。随着弹丸长径比的增加,圆柱形弹丸碎片云径向扩展直径减小;随着弹丸长径比的增加,相同质量和相同撞击速度的圆锥形弹丸及圆柱形弹丸碎片云的损伤力增强。

超高速撞击; 非球形弹丸; 压力容器; 数值模拟; 碎片云

0　引　言

随着航天事业的发展,人类发射入轨的航天器数量越来越多,空间环境也随之日益恶化,其对航天器的威胁也越来越大[1-3]。航天器上的各种压力容器是用来储存液体或含能高压气体的部件,是受空间碎片或微流星体威胁最大的关键部件之一[4-5]。压力容器类部件受到空间碎片或微流星体的超高速撞击将产生高速的碎片云,碎片云与容器内的高压气体将发生强烈的相互作用,导致碎片云在气体中发生减速运动。微流星体和空间碎片的形状多种多样,不同形状空间碎片撞击容器后形成的碎片云特性不同[6-7],从而导致二次碎片在容器内的运动特性不同,即碎片云对容器后壁的损伤程度会不同。在一定条件下,碎片云对容器后壁的撞击有可能导致容器发生灾难性的破坏,致使航天器过早失效。文献[8-9]研究表明:在相同的撞击条件下,非球弹丸比相同质量的球形弹丸损伤性更大。而目前,对空间碎片的研究主要以球形弹丸为主,弹丸形状对容器的损伤性能影响的研究较少,因此,有必要对不同形状弹丸撞击下产生的碎片云在容器内的运动特性进行研究。超高速撞击实验的速度、质量、形状和材料等的限制及费用比较高,数值模拟成为研究碎片云特性的有效方法。光滑质点流体动力学方法SPH适合超高速撞击大变形、高应变率现象的数值模拟,采用有效材料模型可以得到与实验一致的结果[9]。

笔者采用AUTODYN软件对非球形弹丸超高速正撞击充气压力容器产生的碎片云运动特性进行数值模拟。研究在相同质量和撞击速度的条件下,具有不同长径比的圆锥形、圆柱形弹丸对超高速撞击充气压力容器所产生碎片云运动特性的影响,并分别针对弹丸长径比对碎片云形态、尖端速度及径向扩展直径的影响进行分析。

1　数值模拟方案

数值模拟工况中弹丸材料均采用2A12铝合金,质量为316 mg;压力容器为圆柱形,采用2A12铝合金材料,壁厚为1 mm,压力容器内充气体为氮气,气体压力为1.0 MPa。弹丸正撞击圆柱形充气压力容器的封头中心,弹丸撞击速度为5.0 km/s,如图1所示(弹丸为球形)。

图1　撞击工况示意

文中弹丸形状分别为圆锥形和圆柱形,弹丸形状的特征几何参数如表1所示。由表1可见,圆锥形弹丸有4组数值模拟工况,长径比为0.12～2.89;圆柱形弹丸有3组数值模拟工况,长径比为0.2～5.0。图2给出了弹丸具体形状及撞击方向。

表1不同形状弹丸的长径比L/D

Table 1L/Dratios for non-spherical projectiles

图2　弹丸形状及撞击方向

由图2可见,圆锥形弹丸由锥底正面撞击容器封头,圆柱形弹丸由长度方向正撞击容器封头;其中,D表示圆锥形弹丸的底面直径、圆柱形弹丸直径,L表示圆锥形弹丸的高、圆柱形弹丸轴向长度。

应用文献[10]建立的弹丸正撞击充气压力容器的数值模拟模型,对上述的7种形状弹丸撞击压力容器的数值模拟工况进行计算。文献[10]应用AUTODYN-2D轴对称,采用SPH方法建立了数值模拟模型,如图3所示。模型为铝制球形弹丸撞击圆柱形充气压力容器封头中心,内充气体为氮气;弹丸、容器的被撞击截面与气体采用SPH方法,而容器的其他部分采用壳体单元;SPH质点的光滑长度为0.1 mm。

图3　初始的几何模型

2　数值模拟结果与分析

2.1圆锥形弹丸碎片云运动特性

图4给出了圆锥形弹丸撞击容器壁5 μs及25 μs时的碎片云数值模拟结果。由文献[11]可知,在撞击发生后5 μs时,形成的碎片云与容器内无气体时形成的碎片云特性基本一致,因此,在撞击发生后5 μs时碎片云可看成未受气体影响的碎片云初始形态。

图4　圆锥形弹丸碎片云运动数值模拟比较Fig. 4　Comparison of debris cloud morphology produced by conical projectiles

由图4可见,在撞击发生后5 μs时,随着圆锥形弹丸长径比的增加,碎片云的初始形态也发生了较明显的变化。随着长径比的增加,碎片云前端越来越突出,形成明显的尖端,并且碎片云前端的材料由全部为容器壁材料到主要为弹丸材料。另一方面,随着弹丸长径比的增加,碎片云尖端开始出现了较大的未破碎的弹丸碎片,当圆锥形弹丸长径比为L/D=2.89时,碎片云前端包含未破碎的弹丸碎片长约为6.7 mm(约为原长的43.6%)。反之,随着弹丸长径比的减小,弹丸破碎得越完全。

在撞击发生后25 μs时,由于容器内高压气体的作用,碎片云发生减速运动,碎片云前端形成了明显“钉形尖端”。所谓“钉形尖端”是由于碎片云内部的较大碎片及大部分质量都集中在碎片云前端[12]、撞击轴方向上,因此,当碎片云与容器内的高压气体发生相互作用时,碎片云中位于在撞击轴方向的碎片减速最慢,形成钉形尖端。由图4可见,随着圆锥形弹丸长径比的增加,钉形尖端越来越明显。

图5给出了具有不同长径比的圆锥形弹丸形成的碎片云尖端速度v随时间的变化曲线。通过对图5中各曲线斜率的比较可以得出,对于圆锥形弹丸而言,随着圆锥形弹丸长径比的减小,碎片云尖端速度减速加快。当L/D=0.12时,碎片云尖端减速最快,L/D=2.89时,碎片云尖端减速最慢。由图4可见,L/D=0.12的圆锥形弹丸撞击容器前壁后形成的碎片云外形类似圆锥形,并且弹丸破碎以后,一部分弹丸材料反溅,另一部分弹丸材料位于碎片云后端。因此,撞击能力最强的碎片云尖端均由容器壁材料构成,并且破碎较完全,即L/D=0.12的圆锥形弹丸撞击形成的碎片云尖端材料质量较少,并破碎较完全,碎片云中在撞击轴方向上的碎片较小,导致减速最快。而L/D=2.89的圆锥形弹丸撞击容器壁后,形成的碎片云中包含一部分未破碎的弹丸材料，如图4所示,该大碎片具有较大质量及速度,在气体中运动减速较慢。因此,对于圆锥形弹丸而言,L/D=2.89的圆锥形弹丸形成的碎片云尖端的损伤性最大。

图5　圆锥形弹丸碎片云尖端速度比较

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

图6给出了具有不同长径比的圆锥形弹丸撞击容器壁形成的碎片云径向扩展直径随时间变化的比较情况。由图6可见,对于圆锥形弹丸而言,虽然L/D=0.12的圆锥形弹丸的径向直径最大(D=15.52 mm),但在相同的撞击时间其碎片云的径向扩展直径最小,即碎片云对容器后壁的损伤面积最小。

图6　圆锥形弹丸碎片云径向扩展直径比较

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

综上分析得出,对于圆锥形弹丸,随着长径比的增加,碎片云尖端速度减慢;当L/D=0.12时,形成的碎片云尖端速度最小,径向扩展直径也最小;具有相同质量、相同撞击速度的圆锥形弹丸,当以锥底撞击容器时,弹丸的长径比越小,形成的碎片云损伤力越小。

2.2圆柱形弹丸碎片云运动特性

具有不同长径比的圆柱形弹丸撞击容器后产生的碎片云数值模拟如图7所示。由图7可见,在撞击发生后5 μs时,当L/D=0.5,弹丸破碎较完全,当L/D>0.5时,撞击后形成的碎片云前端包含未破碎的弹丸材料;当L/D=5.0时,撞击后弹丸的剩余长度约为8.57 mm,即弹丸在撞击后剩余长度约为原长的56%(弹丸原长L=15.35 mm)。也就是说,随着弹丸长径比的减小,弹丸破碎得越完全。

图7　圆柱形弹丸碎片云运动数值模拟比较

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

在撞击发生后25 μs时,具有不同长径比的圆柱形弹丸形成的碎片云前端也形成了明显的“钉形尖端”,并也随着弹丸长径比的增加,钉形尖端越明显。

图8给出了具有不同长径比的圆柱形弹丸形成的碎片云尖端速度随时间变化的比较。由图8中曲线斜率可知,随着弹丸长径比的减小,碎片云尖端减速加快。

图8　圆柱形弹丸碎片云尖端速度比较

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

综上所述,圆柱形弹丸与圆锥形弹丸类似,随着弹丸长径比的减小,碎片云破碎得越完全,碎片云尖端减速越快,即碎片云的尖端损伤力越小。

图9中给出了具有不同长径比的圆柱形弹丸撞击容器壁形成碎片云径向扩展直径随时间变化的比较。由图9可见,随着弹丸长径比的增加,碎片云径向扩展直径越小;当L/D=5.0时,弹丸形成的碎片云径向扩展直径最小,即碎片云对容器后壁的损伤面积最小。

图9　圆柱形弹丸碎片云径向扩展直径比较

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

综合对圆柱形弹丸碎片运动特性的分析,虽然L/D=5.0的圆柱形弹丸对容器后壁损伤面积较小,但研究表明[12-13],由于碎片云大部分质量集中在碎片云前端,速度较高,即碎片云主要撞击能量集中在其前端,因此,在仅考虑碎片云对容器后壁的损伤能力的情况下,L/D=5.0的圆柱形弹丸对容器后壁损伤力更大。基于上述分析可见,对圆柱形弹丸而言,随着弹丸长径比的增加,形成的碎片云损伤力增强。

3　结　论

应用非线性动力学分析软件AUTODYN,采用SPH方法对非球形弹丸正撞击充气压力容器产生的碎片云特性进行了研究。研究表明:对于具有相同质量、相同撞击速度的圆锥形弹丸及圆柱形弹丸,均随着弹丸长径比的减小,碎片云尖端速度减速加快;对于圆柱形弹丸,随着弹丸长径比的增加,碎片云径向扩展直径减小;对于具有相同质量、相同撞击速度的圆锥形弹丸及圆柱形弹丸,随着弹丸长径比的增加,碎片云的损伤力均增强。

空间碎片形状各异,文中只对两种较特殊的弹丸形状进行了分析,计算结果具有一定的局限性。

[1]SMIRNOV N N, KISELEV A B, KONDRATYEV K A. Impact of debris particles on space structures modeling[J]. Acta Astronautica, 2010, 67(6): 333-343.

[2]IGOR Y T. Analysis of burst conditions of shielded pressure vessels subjected to space debris impact[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2005, 127(11): 179-183.

[3]JOHNSON N L. Environmentally-induced debris sources[J]. Advances in Space Research, 2004, 34(5): 993-999.

[4]WHITNEY J P. Hypervelocity impact tests of shielded and unshielded pressure vessels[R]. JSC 32294. USA: NASA Johnson Space Center, 1993.

[5]FRIESEN L J. Hypervelocity impact tests of shielded and unshielded pressure vessels[R]. Part II, JSC 27081. USA: NASA Johnson Space Center, 1995.

[7]徐英, 时家明, 林志丹. 撞击物形状和速度对高速撞击结果的影响[J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(2): 107-111.

[8]ZHANG XIAOTIAN, JIA GUANGHUI, HUANG HAI. Fragment identification and statistics method of hypervelocity impact SPH simulation[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2011, 24(8): 18-24.

[9]张伟, 马文来, 管公顺, 等. 非球形弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2007, 27(3): 240-245.

[10]盖芳芳, 庞宝君, 管公顺. 空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究[J]. 高压物理学报, 2009, 23(3): 223-228.

[11]盖芳芳, 庞宝君, 管公顺. 超高速撞击充气压力容器二次碎片减速运动建模研究[J]. 高压物理学报, 2012, 26(2): 177-184.

[12]XU YUE, QIU JUNWEN. Research on influence of contact stress on the hinge moment balance measures[C]//ICMEME2011, [S.l.]: Swinburne University of Technology, 2011: 833-836.

[13]迟润强, 庞宝君, 何茂坚, 等. 球形弹丸超高速正撞击薄板破碎状态实验研究[J]. 爆炸与冲击, 2009, 29(3): 231-236.

(编辑李德根)

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

国家自然科学基金项目(11202070)

盖芳芳(1981-),女,黑龙江省哈尔滨人,讲师,博士,研究方向:超高速撞击压力容器破损行为及防护,E-mail:fang19811119@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.004

O347

1671-0118(2013)03-0231-05

A