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飞机拦阻系统高速碰撞过程的数值模拟作者：北京航空航天大学闫晓军摘要：针对目前飞机拦阻系统缺少有效设计方法的现状，利用动力学有限元方法，对拦阻系统在飞机高速碰撞下的拦截过程进行了数值模拟。
该方法较为真实地模拟了整个拦截过程，计算结果和试验测试数据一致，可以实现对网体的强度、结构设计；可以对飞机的破坏情况进行评估；同时，可以验证制动器的控制规律，进而对控制规律进行改进。
本文方法可用于拦阻系统的实际设计。
关键词：飞机拦阻系统，数值模拟，有限元，碰撞1 概述飞机拦阻系统是一种重要的机场地面设施，主要用于陆基、舰基飞机的应急拦阻和舰基飞机的自由飞着陆等，是飞机着陆控制的辅助措施。
拦阻系统对于保障飞机的起降安全，减少地面事故，起着非常重要的作用。
图1 陆基拦阻系统组成示意图陆基的拦阻系统主要由以下几个主体部分组成(图1为拦阻系统的组成和工作示意图)：1)网体，一般由尼龙复合材料制作，是整个拦阻系统的捕获部分；2)制动器，是拦阻系统的关键部分。
要求针对不同质量、不同撞网速度的飞机在限定距离内被拦停，且过载状况能够满足要求，需采取合适的控制规律设计。
目前，其耗能方式主要有利用摩擦、水涡轮耗能等。
3）立网机构，主要功能是实现网体的立、放。
4）刹车带，连接制动器和网体，实现力的传递，要求抗拉强度好。
飞机拦阻系统的设计主要有以下几个难点：1）制动器的控制规律设计。
目前此方面的研究已在国内展开[1]。
2)网体结构的强度设计，目前主要是根据经验和网体材料静态力学性能、采取较大的裕度设计来保证实现拦阻功能。
3)拦阻碰撞过程的数值仿真。
通过数值模拟整个拦截过程，对控制规律和网体结构、强度设计的进行验证和改进。
现有文献在控制规律设计时，均假设飞机为简单质量点，从而建立运动学和动力学方程进行求解，这和实际飞机的拦阻过程有差别[1,2]。
针对上述情况，本文采用动力学有限元方法，利用PAM-SHOCK软件作为求解器，对拦阻网的拦阻过程进行较为真实的模拟。
含能材料防护结构超高速撞击特性研究随着各国航天活动的增加,空间碎片密度日益增大,已经对航天器的安全构成严重威胁。
为了满足各种航天器的防护需求,美国、俄罗斯和欧空局已经在Whipple防护结构的基础上研制出多种先进防护结构,但材料的选择均为惰性材料。
本文以空间碎片防护结构设计为工程应用背景,创造性将亚稳态含能材料应用于空间碎片防护结构。
PTFE/Al含能材料由于其高能、钝感和独特的冲击释能特性,已经在国防工业中有了广泛的应用。
本文通过工艺优化,结合材料的动态力学性能分析,制备出实验所需的PTFE/Al含能材料;通过超高速撞击实验,研究了PTFE/Al含能材料防护结构的撞击特性,拟合得到相应的撞击极限曲线;结合数值模拟研究,分析碎片云运动特性,揭示亚稳态含能材料防护结构的防护机理。
针对现有氟聚物基含能材料的制备工艺,通过改变材料成型压力、烧结温度、升温速率、烧结气氛等条件,结合准静态压缩试验,获得材料成型压力、致密度、屈服强度的相互关系。
利用具有熔融、结晶平台的烧结温度曲线,实现了制备工艺的优化,可以使材料的致密度达到0.95,对应的屈服强度为18.5Mpa。
利用SHPB实验系统对PTFE/Al含能材料进行了高、低温条件下的动态力学性能研究。
在-100~200℃的温度范围内,进行不同应变率的动态压缩实验,得到了PTFE/Al含能材料应变率效应与温度效应,建立了PTFE/Al高、低温条件下的本构模型。
利用高速摄像系统对PTFE/Al含能材料动态压缩过程中的冲击起爆现象进行研究,得到了PTFE/Al含能材料低速条件下的延迟起爆特性,结合已知高速撞击下延迟反应时间与撞击速度的关系,建立了能够描述低速到高速条件下延迟起爆时间随撞击速度的变化关系。
以二级轻气炮作为加载手段,结合高速摄像、光学高温计、激光阴影照相等测试设备,进行不同面密度、不同弹丸直径、不同碰撞速度的超高速撞击实验。
通过与同等面密度LY-12铝薄板的对比,证明PTFE/Al含能材料防护结构的有效性。
弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟张伟;庞宝君;贾斌;曲焱喆【摘要】低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击.这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效.为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题.采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响.模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合.验证了数值模拟方法的有效性.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2004(018)001【总页数】6页(P47-52)【关键词】微流星体;空间碎片;超高速撞击;碎片云;数值模拟;光滑质点流体动力学【作者】张伟;庞宝君;贾斌;曲焱喆【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】V423.42;O3471 引言微流星体及空间碎片的超高速撞击严重威胁航天器的安全在轨运行，造成航天器损伤及发生灾难性失效的事例已发生多起，有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了国内外的高度重视[1]，并基于1947年Whipple提出的Whipple防护，通过高速撞击实验及数值模拟进行了大量航天器防护结构防护性能的研究工作，发展了各种防护结构，并用于航天器微流星体及空间碎片的防护[2,3]。
因为超高速撞击实验的速度限制及费用比较高，超高速撞击数值模拟成为防护结构防护性能研究的有效方法。
常用的方法有拉格朗日(Lagrange)、欧拉(Euler)、拉格朗日-欧拉耦合(ALE)以及光滑质点流体动力学(SPH)法等。
第27卷 第3期爆炸与冲击Vol.27,No.3 2007年5月EXPLOSION AND SHOC K WAV ES May,2007 文章编号:100121455(2007)0320240206非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟3张 伟,马文来,管公顺,庞宝君(哈尔滨工业大学高速撞击研究中心,黑龙江哈尔滨150080) 摘要:采用AU TOD YN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟,给出了2维及3维模拟的结果。
研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响,并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。
结果表明:弹丸的长径比越大,弹丸的穿孔能力越强;非球弹丸的撞击方向不同,所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。
关键词:固体力学;形状效应;数值模拟;航天器;空间碎片;超高速撞击 中图分类号:O347;V423.42 国标学科代码:130・1540 文献标志码:A1 引 言 微流星体及空间碎片的超高速撞击严重威胁航天器的安全在轨运行,造成航天器损伤及发生灾难性失效的事例已发生多起,有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了高度重视[1],并基于1947年Whipple提出的Whipple防护,通过超高速撞击实验及数值模拟进行了大量航天器防护结构防护性能的研究工作,发展了各种防护结构,并用于航天器微流星体及空间碎片的防护[223]。
大量研究主要采用球形弹丸,而微流星体和空间碎片的形状多种多样。
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[427]。
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,数值模拟成为预报防护结构防护性能的有效方法。
光滑质点流体动力学(SP H)法更适合超高速撞击这样大变形、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非常一致的结果[527]。
本文中拟采用AU TOD YN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行数值模拟,给出2维及3维模拟的结果。
研究在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云及舱壁损伤特征尺寸的影响,并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行比较。
2 弹丸撞击防护结构数值模拟的方案 各种形状弹丸的材料采用2A12铝合金,质量为316mg,与直径为6mm球形弹丸的相同,弹丸正撞击的速度为5.0km/s。
防护结构为单防护屏防护结构,防护屏为1mm厚的2A12铝合金,防护间距为100mm,舱壁为3mm厚的5A06铝镁合金。
弹丸、防护屏和舱壁采用SP H质点建模,质点直径为0.1mm,在防护屏和舱壁的厚度方向分别有10个和30个质点。
图1给出了本文中研究所采用的弹丸形状和撞击方向。
表1给出了弹丸形状的特征几何参数及撞击方向。
弹丸、防护屏和舱壁的材料模型采用Shock状态方程,强度模型采用Johnson2Cook模型。
失效模型采用流体动力学拉伸极限。
为了研究激波压力对弹丸破碎的影响,给出了弹丸内不同位置点的压力时间历程。
剥落失效准则给出了弹丸材料能承受的最小流体动力学压力,当压力小于这个值,材料将失去抗拉强度而失效,这个值对于本文的研究采用p min=-2.5GPa,即弹丸和防护屏材料的流体动力学3收稿日期:2006202206;修回日期:2006206220 基金项目:国家空间碎片研究基金项目 作者简介:张 伟(1964— ),男,博士,教授,博士生导师。
拉伸极限为2.5GPa ,舱壁5A06的流体动力学拉伸极限为2.2GPa ,材料模型的数据输入采用标准AU TOD YN 库数据[8]。
图1弹丸的形状和撞击方向Fig.1Investigated projectile shapes and impact direction表1非球弹丸特征几何参数及防护结构损伤特征尺寸T able 1N on 2spherical projectile characteristic geometric parameters and shield d am age characteristic sizes弹丸形状L /D D /mm L /mm 撞击方向防护屏穿孔直径/mm舱壁损伤描述/mm 立方体-- 4.84面10.66舱壁有1.6孔4个,鼓包高3.82,直径74立方体-- 4.84棱边长轴13.2,短轴8.5舱壁孔33.66×6.82,鼓包高4.44,直径25立方体-- 4.48点桃形,14.83×17.26舱壁损伤区域30.34,鼓包高4.18,直径60球16--9.90舱壁孔15.34,鼓包高5.78,直径74长柱5 3.06515.325长度7.02舱壁孔10.7,鼓包高2.0,直径50短柱2 4.168.32长度7.82舱壁孔11.36,鼓包高2.37,直径60盘0.28.96 1.792长度13.77舱壁孔10.27,鼓包高5.0,直径92锥盘0.28811.44 3.3锥底15.16舱壁孔11.78,鼓包高3.6,直径51锥盘0.28811.44 3.3锥尖14.99舱壁孔6.88,鼓包高2.8,直径72固体锥 2.89 5.3115.33锥底9.13舱壁孔8.10,鼓包高4.4,直径76固体锥 2.89 5.3115.33锥尖 6.77舱壁孔5.40,鼓包高1.37,直径74空心锥 2.88外径7.19,内径5.4外高20.76,内高15.57锥底10.9舱壁孔15.06,鼓包高2.0,直径83空心锥2.88外径7.19,内径5.4外高20.76,内高15.57锥尖7.96舱壁孔7.10,微鼓包3 数值模拟结果及分析 各种形状弹丸撞击防护结构损伤的特征尺寸如表1所示。
不同形状弹丸撞击防护屏所产生的碎片142 第3期 张 伟等:非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟云形态和舱壁的损伤如图2～图10所示。
3.1 弹丸形状对超高速撞击防护屏碎片云的影响3.1.1 立方体弹丸撞击方向对碎片云的影响 立方体弹丸撞击方向对碎片云影响数值模拟的结果如图2所示。
面撞击的压力时间曲线如图3所示,图中给出了立方体弹丸前端点处、0.5、0.75、1.0、2.0、3.0、4.0和4.48mm 等处的压力峰值,弹丸图210μs 时立方体弹丸不同撞击方向碎片云3D 结果Fig.2Debris cloud produced cubic projectiles with different impact direction at 10μs图3立方体弹丸面撞击不同点处压力时间历程Fig.3Pressure histories in cubic projectile face 2on impact at different points 后端点的压力峰值大于弹丸材料的失效应力2.5GPa 。
由图可见立方体的撞击方向对弹丸破碎形成碎片云有很大的影响。
随撞击方向的不同,碎片云的形状和碎片云的破碎程度都是不同的。
面撞击的碎片云形状与球形弹丸的相似,碎片云膨胀比较大,弹丸完全破碎;而棱边撞击的碎片云与顶点撞击的碎片云前端具有大的固体碎片且弹丸碎片比较集中,对舱壁的损伤是比较大的,这主要是因为棱边撞击及顶点撞击弹丸的实际长度增加,克服了强激波与膨胀波相互作用对弹丸破碎的影响。
同时由图2(c )和图2(d )可见,顶点撞击产生的碎片云,从2个不同的方向看其形状和碎片的分布是不对称的,造成对舱壁损伤的不对称性。
3.1.2 柱状弹丸长径比对碎片云的影响 不同长径比柱状弹丸及球形弹丸撞击防护屏所产生的碎片云如图4所示。
由图可见长径比为5的长柱弹丸所产生的碎片云,弹丸后面仍有很大部分未破碎。
长径比为2的短柱弹丸所产生的碎片云前端是一个锥形,没有完整的固体粒子存在。
弹丸尺寸短时强激波与膨胀波的相互作用使它破碎,短柱弹丸的碎片云形状和组成同球形弹丸的碎片云是相似的。
图410μs 时柱状弹丸撞击产生的碎片云Fig.4Debris cloud produced by cylinder projectiles at 10μs242爆 炸 与 冲 击 第27卷 3.1.3 锥形弹丸对碎片云的影响 固体锥形弹丸和空心锥形弹丸不同撞击方向所产生的碎片云如图5和图6所示。
由图可见,在锥尖撞击时固体锥形弹丸和空心锥形弹丸所产生的碎片云在其前端均具有大的完整碎片,其速度与弹丸的初始撞击速度基本相同,分别为4.89和4.93km/s 。
这个大的完整碎片由弹丸后面的部分变形而成。
这同大长径比柱状弹丸撞击所产生的碎片云相似。
在锥底撞击时,固体锥形弹丸所产生的碎片云前端具有弹丸后部的一个完整碎片,其速度为4.89km/s ;空心锥形弹丸撞击所产生的碎片云前端具有弹丸后部的一个完整碎片,其速度为4.8km/s 。
所以固体锥形弹丸和空心锥形弹丸无论何撞击方向都具有更大的损伤性。
图510μs 时固体锥形弹丸碎片云Fig.5Debris cloud produced by solid cone projectilesat 10μs图610μs 时空心锥形弹丸碎片云Fig.6Debris cloud produced by hollow cone projectilesat 10μs3.1.4 盘形弹丸对碎片云的影响 锥盘形弹丸不同撞击方向所产生的碎片云如图7所示,盘形弹丸长径比不同所产生的碎片云如图8所示。
由图可见,锥盘形弹丸所产生的碎片云具有显著的特点。
在锥尖撞击时所产生的碎片云是圆柱状,其内部具有一个碎片云比较密集的柱状结构,其中含有大量小的弹丸和防护屏碎片,是碎片云中对舱壁损伤最大的部分。
在锥底撞击时所产生的碎片云是圆锥状的,其内部没有柱状结构,碎片云的前端均有比较集中的碎片云存在,对舱壁造成损伤。
大盘形弹丸碎片云在其中间也有一个长的杆状结构,从撞击点向前延伸,在杆状结构的前端有一个比较集中的碎片区域,碎片云膨胀和破碎得比较好;小盘形弹丸所产生的碎片云弹丸碎片成锥形分布在其中间,其前端的碎片比较分散。
图710μs 时锥盘形弹丸碎片云Fig.7Debris cloud produced by cone disk projectilesat 10μs图810μs 时盘形弹丸撞击产生的碎片云Fig.8Debris cloud produced by disk projectilesat 10μs3.2 弹丸形状对舱壁损伤的影响 弹丸形状对舱壁损伤的影响如表1所示。
对于长柱、短柱、大盘和小盘弹丸均造成舱壁鼓包和一个穿孔损伤;固体锥形弹丸、空心锥形弹丸以及锥盘形弹丸无论锥尖还是锥底撞击也造成舱壁的鼓包和一个穿孔损伤。
