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1、第30卷第6期航天器環(huán)境工程2013年12月SPACECRAFTENVIR0NMENTENGINEERINGAI／Mg阻抗梯度材料超高速撞擊機(jī)理數(shù)值仿真研究侯明強(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，北京1000943．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：丈章采用數(shù)值仿真方法研究了A1／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，并與彈丸撞擊鋁合金靶的
2、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，A1／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)：0313．4：V520．7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-1379(2013)06-0581—05DoI：10．3969~．issn．1673—1379．2013．06．0030引言入了解阻抗梯度材料在超高速撞擊下的響應(yīng)
3、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AI／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)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)lJ之J，如多層梯度材料的超高速撞擊機(jī)理。沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)、鋁網(wǎng)雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)]、蜂窩夾層板防護(hù)結(jié)構(gòu)【7J、
4、填充Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)_8]和泡沫1計(jì)算模型鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)¨。阻抗梯度材料在超高速撞擊防護(hù)仿真計(jì)算所取的撞擊靶板材料采用AI／Mg阻抗領(lǐng)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。靶板和彈丸參擊特性進(jìn)行了一定的研究。Huang等L12J研究了鐵基數(shù)詳見(jiàn)表1。非晶合金／鋁合金復(fù)合材料的撞擊特性，Tamura等L1_jJ表1靶板和彈丸的參數(shù)Table1Parametersoftargetsandprojectile研究了碳化硅纖維
5、／鋁合金復(fù)合材料的撞擊特性，均撞擊模型靶板材料靶板厚度／彈丸材料彈丸直徑／證實(shí)了阻抗梯度材料的防護(hù)性能優(yōu)于鋁合金。Guon1mmm等[14-15]研究了TiB，／2024A1和鈦合金網(wǎng)強(qiáng)化的鋁合Al彈丸Al靶Al2024一T41．5Al2024一T410．0金復(fù)合材料的微觀損傷特性。然而上述這些研究尚Al彈丸一Al2024一T4／0．8／1．1Al2024A1／M一T410．0未涉及阻抗梯度材料的超高速撞擊機(jī)理。g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Griineisen狀態(tài)
6、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)(1984一)，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(1964一)，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。第6期侯明強(qiáng)等：A1／Mg阻抗梯度材料超高速撞擊機(jī)理數(shù)值仿真研究可以看出，沖擊波在
7、A1／Mg靶板中的持續(xù)時(shí)沖的持續(xù)時(shí)間反常的原因。間比在Al靶板中的持續(xù)時(shí)問(wèn)分別延長(zhǎng)了12．O％、126．2％、23．4％和41．2％。2．2靶板中峰值壓力脈沖的持續(xù)時(shí)間和比沖量峰值壓力脈沖即圖2(a)和圖2(b)中的黑色曲線，代表了彈丸撞擊靶板在界面處的壓力傳播歷史。壓力脈沖持續(xù)的時(shí)間為從壓力增加的初始時(shí)刻到壓力衰減的最終時(shí)刻。時(shí)I~]／ms在3．0~7．0km／s的撞擊速度范圍內(nèi)，Al靶板和圖4撞擊速度為7．0km／s時(shí)的A1彈丸一Al靶板AI／Mg靶板中產(chǎn)生的峰值壓力脈沖的持續(xù)時(shí)間如圖3撞擊中的峰值壓力脈沖持續(xù)時(shí)間Fig．4D
8、urationofpeakpressurepulseforA1一AIimpact所示?？梢钥闯觯篈1靶板中產(chǎn)生的峰值壓力脈沖modelatimpactvelocityof7．0km／s的持續(xù)時(shí)間在110．6～159．1ns之間，并隨著撞擊速以上分析
