空间碎片超高速撞击动力学建模与数值仿真技术
卫星解体碎片生成数值模拟
卫星解体碎片生成数值模拟张晓天;贾光辉【摘要】提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法，对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。
有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合，能够模拟获得孤立碎片的特性数据。
通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元，能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片，结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。
进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。
解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性，表明了该方法的有效性。
%A numerical method for simulating fragment generation from satellite breakup is proposed and the impact case relevant with the test is simulated.Currently HVI numerical simu-lation technique is mainly used in spacecraft protective structure analysis.And the most widely used method is SPH.In this paper,the complete disintegration of spacecraft will not occur be-cause of the small size of the impactor.Protective structure HVI simulation focuses on the pene-tration limit of the shield while the individual fragment characteristics in the secondary debris cloud are not concerned much about,such as:amount of fragments,size and mass of each frag-ment,etc.In contrast,the purpose of spacecraft breakup model is to provide the characteristics of individual fragment,which are also supposed to be the output of breakup dynamics simulation. Finite element reconstruction method is a hybrid of finite element method and the smoothed par-ticle hydrodynamics method.The characteristics of the individual fragments can be obtained from the simulation.The confidenceindividual fragment can be identified by reconstructing finite ele-ments from the smoothed particles.The size,velocity vector,and mass can be computed with the fragment statistics method based on graph theory.The fragment distribution can be obtained from the individual fragment data.The good agreement of simulated output and the test shows the feasibility of this method.The main difference between NASA model output and test data lies in the smaller size range.The possible reason might be the test for building NASA model is dif-ferent from the test of CARDC.The main data source for small fragment part in NASA model is SOCITE4 breakup test.The target used in the test is OSCAR satellite which has a more compact internal structure.It indicates that the material and internal structure do affect the distribution of breakup fragments,and it is necessary to analyze the fragment based on the impact dynamics.Finite el-ement reconstruction approach can model the spacecraft and the impactor in details including the shape,internal structure,material feature,impact velocity magnitude and direction,and also im-pact location.The simulation can provide the total number of fragments and the mass,size,ve-locity vectors of each fragment.With high resolution simulation model,the approach can output characteristics of small fragments.Further work aims at two aspects.First,the effect of the im-pact location to the breakup fragments distribution will be analyzed with the simulationapproach,especially for large impactors.Different impact locations in the target will result in various debris characteristics,for example:the velocity direction,and then the orbit,of fragments.Second, the simulation approachwill be applied to historical on-orbit breakup events.SSN data of frag-ments larger than 10cm could be used as a reference to verify the approach and to calibrate the true impact location which can not be observed.The disintegration process reproduced with the simulation and fragments smaller than 10cm can also be analyzed.The fragment output of FER can be directly imported into an orbit propagator to analyze the orbit distribution and lifetime of each fragment and so on.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P78-83)【关键词】空间碎片;卫星解体;数值模拟;FEM;SPH【作者】张晓天;贾光辉【作者单位】北京航空航天大学宇航学院，北京 100191;北京航空航天大学宇航学院，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V4740 引言航天器解体碎片生成研究是空间碎片环境建模的关键。
空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究
材料可以通过撞击孔向容器外部运动，即容器发生Fra bibliotek气体泄漏。
文献［５］中实验结果显示，在撞击后３５ ｐｓ时气Ｆｉｇ．３ 体并没有发生泄漏。而由图３可见。在撞击后３５ ｐｓ
图３不同状态方程与实验结果‘ｓ３的比较 Ｃｏｍｐ“∞ｎ ｏｆ ｎｕｒｎ。ｒｉｃａｊ鲫ｄ ｅｘｐｅ一腓ｎｔａＪ ｒｅｓｕＪｄｓ］
万方数据
（哈尔滨工业大学空问碎片高速撞击研究中心，黑龙江哈尔滨 １５００８０）
摘要：针对空问碎片超高速撞击充气压力容器问题，应用非线性动力学分析软件ＡＩＪｌＤＤＭ斗２Ｄ， 采用ＳＰＨ方法对碎片云在高压气体中的运动特性进行了数值模拟研究。在建模过程中，分析 比较了材料状态方程对数值模拟结果的影响，并通过与实验结果的比较，选取了适合该问题的 状态方程。验证了数值模拟方法的有效性。结果表明：由于容器内压气体的存在，碎片云运动 发生减速，并且碎片云的轴向扩展速度相对于碎片云的径向扩展速度减速较慢；高速撞击产生 的碎片云与容器内的高压气体发生了强烈的相互作用，碎片云尖端产生的钉状物及高压气体 中产生的冲击波是控制容器在撞击后发生进一步破坏的两个重要因素。
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图６不同内充气体压力碎片云膨胀半角对比
Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃＩｏｕｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ
图７碎片云及冲击波速度分布
Ｆｉｇ．７
Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ
（ａ）Ｔｉｐ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｖｅＩｏｃｉｔｙ
（ｂ）Ｒａｄｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔ），ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃＩｏｕｄ
球形弹丸超高速斜撞击弹坑特性数值模拟
球形弹丸超高速斜撞击弹坑特性数值模拟姚杨勇;张大卫【摘要】微流星体和空间碎片与航天器之间发生的超高速撞击是航天器在轨运行的重大威胁,近年来随着发射次数的增多,航天器的安全受到了越来越多的威胁,超高速撞击的现象受到了更多的重视.应用AUTODYN软件,采用Lagrange方法,对2A12的弹丸高速斜撞击5A06的单层板形成的弹坑特性进行数值模拟.首先将数值模拟结果与实验结果比较,验证模型的有效性,之后应用原有的计算模型对弹丸撞击速度与受撞击板上形成弹坑的特性进行相关研究.数值模拟的结果表明:在弹丸直径和弹丸撞击角度都固定的情况下,其形成弹坑的坑深与坑径会随撞击速度的变化而改变.%The super-high-speed impact between the micro-meteoroids and the space debris and the spacecraft is a major threat to the on-orbit of the spacecraft. In recent years, with the increase of the number of launches, the spacecraft's safety has been threatened more and more. The phenomenon of hypervelocity impact has received more attention. By using AUTODYN software and using Lagrange method, the crater characteristics of 2A12 projectile with high speed oblique impact 5A06 are simulated numerically. First, the numerical simulation results are compared with the experimental results to verify the validity of the model. Then the original calculation model is used to study the impact velocity of the projectile and the characteristics of crater formed on the impact plate. The numerical simulation results show that the pit depth and pit diameter of the crater will change with the impact velocity when both the projectile diameter and the projectile impact angle are fixed.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】5页(P102-106)【关键词】超高速斜撞击;单层板;弹坑;数值模拟【作者】姚杨勇;张大卫【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500【正文语种】中文【中图分类】O3470 引言近年来，随着航天事业的迅速发展，超高速撞击研究引起广泛的关注，以飞行器防护为典型应用背景的超高速撞击研究集中表现在撞击后弹坑特性和寻求适当的防护材料或结构方面。
超高速碰撞过程弹靶材料响应行为基础研究
超高速碰撞过程弹靶材料响应行为基础研究
超高速碰撞是指在极短时间内发生的高速碰撞。
在这样的碰撞中，材料会经历极大的变形和应力，其响应行为不同于常规的碰撞。
因此，研究超高速碰撞过程中材料的响应行为至关重要。
在超高速碰撞中，材料受到巨大的压力和剪切力，可能产生高度动态变形和产生剧烈的应力波。
材料的高应变率和高应力率也会导致材料在短时间内发生相变、熔化、断裂等非常规行为。
因此，研究超高速碰撞过程中材料的响应行为需要考虑这些因素。
为了研究超高速碰撞过程中的材料响应行为，可以借助实验和数值模拟两种方法。
实验方面，可以使用高速冲击实验仪器，如冲击试验机、冲击台等，以模拟超高速碰撞条件下的载荷。
通过测量材料的应力、应变、位移等参数，可以获得材料在超高速碰撞中的响应行为。
数值模拟方面，可以使用计算流体力学（CFD）或有限元方法等来模拟超高速碰撞过程中材料的行为。
通过建立适当的数学模型和材料本构关系，可以预测材料在超高速碰撞中的响应行为。
这种方法可以更好地理解材料的变形机制和破坏行为。
超高速碰撞过程中材料的响应行为基础研究对于提高材料性能和设计更安全的结构具有重要意义。
它有助于开发新型高强度、高韧性及抗冲击的材料，并且可以提供参考数据和模型，用于仿真和优化设计。
这样的研究对于军事、航空航天、汽车、船舶等领域具有重要的应用价值。
圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟
圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟
盖芳芳;刘先应;刘恂;赵继涛
【期刊名称】《黑龙江科技学院学报》
【年(卷),期】2013(023)006
【摘要】为研究不同形状空间碎片超高速撞击薄板产生的碎片云特性,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,利用光滑质点动力学方法(SPH)对圆柱形弹丸超高速正撞击单层薄铝板防护结构形成的碎片云进行数值模拟,分析相同质量和速度条件下,不同长径比的圆柱形弹丸超高速撞击所产生碎片云的形态、轴向长度、径向直径、轴向速度等参量随弹丸长径比的变化规律.结果表明,弹丸破碎程度和碎片云分散程度随弹丸长径比的改变而改变.随着弹丸长径比的增加,碎片云对航天器舱壁的损伤能力增强,弹丸对薄板的损伤程度减弱.该结果为航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计提供了参考.
【总页数】5页(P600-604)
【作者】盖芳芳;刘先应;刘恂;赵继涛
【作者单位】黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022;黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022;哈尔滨理工大学建筑工程学院,哈尔滨150080;黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022
【正文语种】中文
【中图分类】V423.42;O347
【相关文献】
1.椭球弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟 [J], 马文来;张伟;管公顺;庞宝君
2.球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究 [J], 张永强;管公顺;张伟;庞宝君
3.非球形弹丸超高速撞击充气压力容器碎片云特性数值模拟 [J], 盖芳芳;于丽艳;于月民
4.空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究 [J], 盖芳芳;庞宝君;管公顺
5.弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟 [J], 张伟;庞宝君;贾斌;曲焱喆
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超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性
第42卷第4期兵工学报Vol.42No.4 2021年4月ACTA ARMAMENTARII Apr.2021超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性郑克勤1,张庆明1,龙仁荣1,薛一江1,龚自正2,武强2,张品亮2,宋光明2(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081； 2.北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：在超高速碰撞下，波阻抗梯度材料能使弾丸的动能更多地转变为靶板材料内能，使其发生熔化、气化等相变，分散和消耗弹丸的动能，进而实现航天器对空间碎片的防护。
以钛、铝、镁3种材料组成的波阻抗梯度材料为研究对象，借助于光滑粒子流体动力学数值模拟方法，采用Til-loston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，给出各材料的冲击相变判据，结合速度为7.9km/s 的超高速碰撞实验结果，验证数值模拟结果的有效性。
计算结果表明：钛、铝、镁波阻抗梯度材料在受到大于4km/s速度撞击时，形成的碎片云会发生不同程度的熔化和气化；钛、铝、镁3种组分分别在受到6km/s、5km/s、4km/s速度撞击时碎片云会发生熔化，在受到8km/s、9km/s、6km/s速度撞击时碎片云会发生气化。
关键词：超高速撞击；波阻抗梯度材料；碎片云；相变中图分类号：O313.4文献标志码：A文章编号：1000-1093(2021)04-0773-08DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.011Phase Transition Characteristics of Debris Cloud of Ti/Al/Mg WaveImpedance Gradient Material Subjected to Hypervelocity ImpactZHENG Keqin1,ZHANG Qingming1,LONG Renrong1,XUE Yijiang1,GONG Zizheng2,WU Qiang2,ZHANG Pinliang2,SONG Guangming2(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China；2.Beijing Institute of Spacecraft Environmental Engineering,Beijing100094,China)Abstract:In hypervelocity impact,the wave impedance gradient material helps to transfer the kinetic energy into more internal energy，which causes the melting and vapor phase transition of debris cloud，and disperses and dissipates the kinetic energy of projectile，thus protecting the spacecraft from debris cloud.The wave impedance gradient material studied in this paper is made of titanium，aluminium and magnesium alloy(TAM).The smoothed particle hydrodynamics(SPH)method is used to simulate hypervelocity impact.Impact-induced phase transition criteria of various materials are given by using Tilloston equation of state and Steinberg-Guinan constitutive model.The simulated results were compared with the experimental results with impact velocity of7.9km/s.The results show that the impactgenerated debris cloud is melted and vaporized to some extent when TAM wave impedance gradient material is impacted by the velocity more than4km/s.For Ti,Al and Mg,the debris cloud is melted at the impact velocities of6km/s,5km/s and4km/s,respectively,and it is vaporized at the impact velocities of8km/s,9km/s and6km/s.收稿日期：2021-02-03基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0801204)；民用航天预先研究项目(D020304)作者简介：郑克勤(1992—)，女，硕士研究生。
超高速撞击中影响碎片云形状因素分析
超高速撞击中影响碎片云形状因素分析唐蜜;柏劲松;李平;张展冀【摘要】应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究,将计算结果同相应的实验结果进行了比较,二者符合得很好.在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料、弹丸形状、间隙量等因素对碎片云的影响规律.并以碎片云的长度和径向尺寸为指标,应用正交设计方法对撞击速度、防护屏厚度、铝球直径三因素对指标的影响主次关系进行了分析研究,防护屏厚度是碎片云长度的主要影响因素,而弹丸直径是碎片云径向的主要影响因素.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2007(021)004【总页数】8页(P425-432)【关键词】超高速撞击;数值模拟;碎片云;正交设计【作者】唐蜜;柏劲松;李平;张展冀【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】V423;O3471 引言1947年，F.Whipple发明了为抵御微流星体高速撞击的Whipple防护方案。
Whipple防护方案是将防护屏放置在被防护舱壁外侧一定距离外以减小微流星体的高速撞击破坏。
防护屏能起到将高速弹丸充分粉碎甚至尽量熔化或气化的作用，从而大大的消耗弹丸的动能和破坏了弹丸的完整性，因此减轻了对第二层主结构垫层板的破坏。
弹和防护屏相互作用的结果是防护屏被击穿，从孔边喷出一股由弹、防护屏材料形成的碎片云[1]。
影响碎片云形成的因素主要有:弹丸撞击防护屏速度、弹丸的直径、防护屏的厚度、间隙量的大小、弹丸与防护屏的材料和弹丸形状等；从数值模拟的角度，状态方程的选取、强度模型的选取、SPH质点大小的选取，都对碎片云的形成有影响。
由于防护结构方案和防护材料的多样性、弹丸模拟各类空间碎片的局限性,以及超高速撞击设备有限的试验能力和昂贵的试验费用,使得数值仿真成为研究超高速碰撞的有力工具。
sph方法-高速撞击应用
空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法作者：闫晓军张玉珠聂景旭摘要：和成熟的FE（有限元）方法相比，SPH方法可以较为真实地描述超高速碰撞过程的物理现象。
本文利用SPH方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟。
在数值模拟中，为了充分发挥SPH 方法和FE方法的优点，利用有限元单元和SPH节点混合建模，计算结果和试验结果相吻合，且计算效率高，可用于空间飞行器防护结构的设计。
1 SPH方法SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法的全称为“光滑质点流体动力学”方法，是Lucy于1977年提出的用于天体物理计算的一种无网格化Lagrange计算方法[1,2]，其特点是在模拟物体大变形时，既可以克服Euler方法难于跟踪物质变形和不能识别材料界面位形的缺点，同时也解决了传统Lagrange方法在大变形下的网格扭曲（Distortion）问题，因此在工程上有很大的应用潜力。
目前，SPH方法的应用领域主要有：天体物理，燃气动力学，结构动力学(包括超高速碰撞)等等[1,2]。
SPH方法的核心是一种插值技术。
在SPH方法中，任一宏观变量（如密度、压力、温度、内能等）A（r）能方便地借助于一组无序点（disordered points）上的值表示成积分插值计算得到，其形式为：其中，Ω为整个求解区域，W为核函数，h为“光滑长度”（smoothing length）,用于定义一个质点对周围区域的影响程度。
SPH方法的主要特点有：利用最接近相邻搜索算法(Nearest Neighbor Search)，可选择核函数W，提供可变的“光滑长度”选择以及可以和有限元方法混合建模进行求解（如图1所示）等等。
图1 通过定义接触条件，利用SPH节点和有限元单元实现混合建模由于算法差异，SPH方法相对有限元方法其求解时间更长，因此对于一些特殊问题的数值模拟，建模时可以将有限元单元和SPH节点（SPH Nodes）通过定义接触条件相结合，在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模，而小变形区域则采用有限元单元建模，从而大大节省求解时间，提高计算效率。