泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

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1、第31卷2010正第8期8月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAV01．31NO．8Aug．2010文章编号：1000—6893(2010)08—1572—06泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟贾斌1，马志涛2，张伟1，庞宝君1(1．哈尔滨工业大学航天工程系，黑龙江哈尔滨150080)(2．清华大学航天航空学院，北京100084)NumericalSimulationinEffectofGeometricalParametersofA卜foamonPerformanceofStuffedShieldsJiaBinl

2、，MaZhita02，ZhangWeil。PangBaojunl(1．DepartmentofAstronauticsEngineering，HarbinInstitutcofTechnology，Harbin150080，China)(2．SchoolofAerospace，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)摘要：泡沫铝是一种新型航天器防护材料，拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型，结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟，研究了平均孔洞直径和

3、孑L隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大，总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响，并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明，使碎片云的法向动量越有效分散，结构的防护能力越强。关键词：泡沫铝；防护结构；超高速撞击；光滑质点流体动力学；空问碎片中图分类号：V423．42；0347文献标识码：AAbstract：A1一foamisanewtypeofmaterialfortheshieldingofaspacecraftbecauseitpossessesfavorableproper

4、tieswhensubjectedtOhypervelocityimpactsofspacedebris．Inthisarticleameso-structuregeometricmodelformetallicfoamsissetupsimulatingtheirmanufacturingprocess，andhypervelocityimpactnumericalsimulationsareconductedbyself-programmedsmoothedparticlehydrodynamics(SPH)．Theimpactisstudiedofthemeanp

5、orediameterandporosityratiooftheA1一foamstuffedstructureontheshieldperformance．Theresultsindicatethatthemeanporediameterhasgreatereffectontheshieldperformanceofafoam—stuffedstructure．Generally，shieldperformanceisbetterwithsmallerporediameters．Theporosityratiohasgreatereffectonlyatultrahig

6、hspeeds，andthereexistsanoptimumvalueforit．Comparativeanalysisofthecharacteris—tiesofthedebriscloudsyieldedbytheAl-foamofdifferentgeometricalparametersdemonstratesthatiftheperpendie-ularmomentumofthedebriscloudisspreadmoreeffectively，thenthestructurehasbettershieldperformance．Keywords：AI—

7、foam；shieldstructure；hypervelocityimpact；SPH；spacedebris微流星体及窄间碎片的超高速撞击严重威胁航天器的安全在轨运行，由其造成的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]。1947年，F．L．Whipple[23提出了著名的Whipple防护结构，即在距被防护舱壁外侧一定距离处放置金属防护屏，防护屏的作用是将弹丸破碎，形成由弹丸材料和防护屏材料组成的碎片云，碎片云在通过间距过程中发生膨胀，使得作用在舱壁单位面积上的