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1、第30卷第6期航天器環(huán)境工程2013年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING581Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞擊機(jī)理數(shù)值仿真研究1,21,22321,2侯明強(qiáng)，龔自正，徐坤博，鄭建東，曹燕，牛錦超（1.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094）摘要：文章采用數(shù)值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞擊下的響應(yīng)過(guò)程，分析了沖擊波在阻抗梯度材料中的傳播規(guī)律，計(jì)算了撞擊過(guò)程中的能量耗散情況，并與
2、彈丸撞擊鋁合金靶的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，相對(duì)于鋁合金材料，Al/Mg阻抗梯度材料：1）延長(zhǎng)了沖擊波的傳播時(shí)間，使峰值壓力脈沖的比沖量提升了30%～50%；2）提高了塑性功和內(nèi)能轉(zhuǎn)化量，使不可逆功增加了10%。由此證明阻抗梯度材料的防護(hù)性能優(yōu)于鋁合金。關(guān)鍵詞：阻抗梯度材料；空間碎片；超高速撞擊；防護(hù)機(jī)理；數(shù)值仿真中圖分類號(hào)：O313.4;V520.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-1379(2013)06-0581-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2013.06.0030引言入了解阻抗梯度材料在超高速
3、撞擊下的響應(yīng)特性和物理本質(zhì)，有助于分析和解釋阻抗梯度材料防護(hù)阻抗梯度材料是指波阻抗（密度與零壓聲速的性能優(yōu)異的原因，對(duì)高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)研發(fā)與工程設(shè)乘積）在某一方向上呈現(xiàn)連續(xù)或階梯性變化的材計(jì)具有重要意義。本文采用數(shù)值仿真方法研究超高料。研究表明，以阻抗梯度材料作為緩沖屏的空間速撞擊下沖擊波在Al/Mg阻抗梯度材料中的傳播碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)，其防護(hù)性能顯著優(yōu)于Whipple防護(hù)[1-2]規(guī)律，定量分析沖擊波的能量轉(zhuǎn)化特性，揭示阻抗結(jié)構(gòu)，且不亞于各種增強(qiáng)型防護(hù)結(jié)構(gòu)，如多層梯度材料的超高速撞擊機(jī)理。[3-4][5-6]沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)、鋁網(wǎng)雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)、蜂
4、窩夾層板防護(hù)結(jié)構(gòu)[7]、填充Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)[8]和泡沫鋁1計(jì)算模型[9-11]防護(hù)結(jié)構(gòu)。阻抗梯度材料在超高速撞擊防護(hù)領(lǐng)仿真計(jì)算所取的撞擊靶板材料采用Al/Mg阻抗域顯示出了很好的工程應(yīng)用前景。梯度材料，彈丸材料為鋁合金，用等面密度的鋁合金國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)阻抗梯度材料的超高速撞靶板（簡(jiǎn)稱Al靶板）作為對(duì)比研究。靶板和彈丸參[12]擊特性進(jìn)行了一定的研究。Huang等研究了鐵基數(shù)詳見(jiàn)表1。[13]非晶合金/鋁合金復(fù)合材料的撞擊特性，Tamura等表1靶板和彈丸的參數(shù)Table1Parametersoftargetsandprojec
5、tile研究了碳化硅纖維/鋁合金復(fù)合材料的撞擊特性，均靶板厚度/彈丸直徑/證實(shí)了阻抗梯度材料的防護(hù)性能優(yōu)于鋁合金。Guo撞擊模型靶板材料mm彈丸材料mm等[14-15]研究了TiB/2024Al和鈦合金網(wǎng)強(qiáng)化的鋁合Al彈丸-2Al2024-T41.5Al2024-T410.0Al靶金復(fù)合材料的微觀損傷特性。然而上述這些研究尚Al彈丸-Al2024-T4/0.8/1.1Al2024-T410.0未涉及阻抗梯度材料的超高速撞擊機(jī)理。Al/Mg靶Mg(AZ31)B(總計(jì)：1.9)研究阻抗梯度材料的超高速撞擊機(jī)理，可以深計(jì)算模型的建立采用Grün
6、eisen狀態(tài)方程和————————————收稿日期：2013-05-09；修回日期：2013-11-18基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2010CB731600）；國(guó)家國(guó)防科工局空間碎片專項(xiàng)（編號(hào)：KJSP06209和K0202210）作者簡(jiǎn)介：侯明強(qiáng)（1984—），男，博士研究生，主要從事空間碎片防護(hù)研究。通信作者：龔自正（1964—），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事航天器空間碎片超高速撞擊、材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和高壓物理研究；E-mail:gongzz@263.net。582航天器環(huán)境工程第30卷Steinberg強(qiáng)度模
7、型；取最大拉應(yīng)力破壞失效準(zhǔn)則，波繼續(xù)在鎂合金中傳播，當(dāng)達(dá)到自由面時(shí)產(chǎn)生稀鋁合金和鎂合金材料的最大拉應(yīng)力取為1.5GPa；撞擊疏波，對(duì)沖擊波進(jìn)行卸載，直到鎂合金中的壓力速度范圍為3.0～7.0km/s，速度步長(zhǎng)取為0.5km/s。卸載到0。此時(shí)鎂合金對(duì)鋁合金中壓力卸載的阻止數(shù)值仿真計(jì)算工具采用AUTODYN-3D軟件。作用消失，鋁合金中壓力重新開(kāi)始卸載，直到其彈丸的SPH粒子尺寸取為0.2mm；Al靶板的尺壓力卸載到0。由于存在波阻抗梯度的特性，寸為60mm×60mm×1.5mm（厚），Al/Mg靶板尺寸Al/Mg靶板中沖擊波的傳播時(shí)間大大
8、延長(zhǎng)，達(dá)到了為60mm×60mm×1.9mm（厚），二者的SPH粒子尺645.5ns（如圖2(b)所示）。寸均為0.15mm。圖1(a)為彈丸撞擊Al靶板的計(jì)算模型，圖1(b)為彈丸撞擊Al/
