论文摘要
人类日益频繁的空间活动正产生着越来越多的空间碎片。这类空间碎片数目多,速度大,运行轨迹无规律,且主要分布在人类活动最为频繁的近地轨道。它们的存在,对人类航天活动有严重威胁。人类航天史上就曾多次出现过航天器同碎片撞击引起的失事。因此,研究超高速碰撞问题,做出必要的防护措施,对保障航天器安全至关重要。除此以外,超高速碰撞动力学的研究,在超高速动能毁伤技术、反弹道导弹技术、轻型装甲设计、核反应堆外壳安全防护设计以及类地行星陨石撞击等方面也有相当大的应用前景。固体材料在超高速碰撞过程中所产生的冲击压力远大于它们的屈服强度。在此类碰撞过程的最初阶段,碰撞固体的性态类似于可压缩流体,因此描述流体动力学过程的控制方程就可较精确地描述超高速碰撞过程的最初阶段,并且可以使用计算流体力学（CFD）的方法对这个阶段进行模拟。然而,这个阶段往往伴随着材料大变形及侵彻破裂等问题,传统的网格方法在模拟时往往会出现如网格扭曲畸变、变形界面或者破裂界面难以追踪等缺陷,无法很准确地模拟这一过程。而直接利用离散点构造函数进行数值计算的光滑粒子流体动力学方法（SPH方法）在处理这类问题时则具有较大的优势。本文主要针对超高速碰撞这一复杂物理现象,利用SPH方法开展相关研究,并对其作用机理进行分析。在引言中介绍了研究背景及国内外研究现状,特别介绍了光滑粒子流体动力学方法的发展现状。最后,介绍了本文的工作。第二章介绍了SPH方法及超高速碰撞理论。详细给出了在光滑粒子流体动力学方法中需引入的固体力学本构方程、Mie-Grunersen状态方程和Von Mieses屈服准则。为了克服非物理振荡,引入了人工粘性与人工热流的概念。第三章为SPH方法程序的建立及其验证。详细介绍了SPH方法程序实现的过程,描述了粒子初始离散方法和边界处理方法。为了提高计算效率,提出了链表搜索方法和粒子扩展方法。在此基础上,通过数值模拟圆钢柱泰勒碰撞,圆钢弹厚板开坑以及铜弹薄板穿透等典型超高速碰撞问题,验证了计算方法和计算程序的正确性。第四章开展了典型工程问题的数值模拟与分析研究。对工程中的一些实际问题如钨合金长杆对厚沙土正面侵彻过程、钨质和钢质穿甲弹对薄钢板的正面穿透和斜撞击以及铝质碎片对航天器Whipple防护结构多板穿透等问题开展了研究,分析了弹体和靶板的材质、形状、速度以及弹体入射角度等参数对碰撞特性的影响,得到了一些有意义的结果。第五章开展了超高速碰撞问题研究中的模化律研究。利用无量纲分析得到了超高速碰撞问题研究中的模化律表达式,并利用数值计算对超高速碰撞模化律进行了分析,通过比较石蜡、橡皮泥和钢等弹靶碰撞的计算结果,评估了这一相似定律的准确性。第六章为结束语。给出了本文的总结,指出了研究中存在的问题及今后工作的方向。
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标签：超高速碰撞论文; 光滑粒子流体动力学方法论文; 数值模拟论文; 碎片云论文; 模化律论文;