本發(fā)明屬于空間碎片防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種高性能波阻抗梯度空間碎片防護(hù)材料結(jié)構(gòu)的確定方法。

背景技術(shù)：

空間碎片是指人類(lèi)空間活動(dòng)所產(chǎn)生的太空垃圾。通常它們與航天器相撞的平均速度為高達(dá)7km/s，對(duì)航天器的安全造成巨大的潛在威脅。為了提升航天器的可靠性和安全性，目前普遍采用由防護(hù)屏和后墻(艙壁)組成的whipple結(jié)構(gòu)或其改進(jìn)型防護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)航天器進(jìn)行防護(hù)。該結(jié)構(gòu)利用加裝在艙壁外的防護(hù)屏來(lái)攔截高速碎片，達(dá)到消耗和分散空間碎片動(dòng)能的效果，從而大大降低了空間碎片對(duì)艙壁的破壞作用。防護(hù)屏的材料特性對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力有很大的影響。對(duì)于航天器防護(hù)材料的選擇，要求其在不增加重量的情況下能夠有效破碎來(lái)襲的空間碎片，更多的傳遞、耗散其撞擊能量，以達(dá)到抵御超高速撞擊保護(hù)航天器的目的。

2009年，侯明強(qiáng)等人【侯明強(qiáng)，龔自正，楊繼運(yùn)，鄭建東，童靖宇，向樹(shù)紅.一種新概念密度梯度型高性能空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu).2009年空間環(huán)境與材料科學(xué)論壇】提出一種新概念密度梯度型空間碎片防護(hù)材料，采用該材料所組成的防護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋁合金whipple結(jié)構(gòu)相比防護(hù)性能得到大幅提升。隨后，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，并與彈丸撞擊鋁合金靶的結(jié)果進(jìn)行了比較【侯明強(qiáng)，龔自正，徐坤博，鄭建東，曹燕，牛錦超.al/mg阻抗梯度材料超高速撞擊機(jī)理數(shù)值仿真研究.航天器環(huán)境工程,2013,30(6):581-585】。利用基于彈丸最大碎片的碎片云模型計(jì)算了密度梯度型防護(hù)結(jié)構(gòu)的碎片云參數(shù)，分析了密度梯度型防護(hù)結(jié)構(gòu)性能比whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)異的原因【侯明強(qiáng)，龔自正，徐坤博，鄭建東，曹燕，牛錦超.密度梯度型防護(hù)結(jié)構(gòu)碎片云特性理論分析.第十一屆全國(guó)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議,2013】。

在工程應(yīng)用中，需要對(duì)不同需求的防護(hù)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，目前還未提出能夠有效設(shè)計(jì)高性能波阻抗梯度空間碎片防護(hù)材料的方法，如何在不增加重量的前提下，高效準(zhǔn)確的獲得防護(hù)性能最優(yōu)化的防護(hù)材料未得到解決。與傳統(tǒng)鋁合金材料不同，波阻抗梯度防護(hù)材料通過(guò)調(diào)節(jié)沖擊波在其中的傳輸路徑和時(shí)間，來(lái)達(dá)到破碎彈丸和分散碎片云質(zhì)量、動(dòng)量的目的，不同材料組份和厚度對(duì)防護(hù)性能的影響較大。此外，研究表明：彈丸與防護(hù)屏撞擊接觸產(chǎn)生的第一個(gè)沖擊波對(duì)彈丸的破碎起決定性作用。但是，如果設(shè)計(jì)不合理，防護(hù)屏中的追趕稀疏波將對(duì)該沖擊波進(jìn)行卸載，極大的影響了防護(hù)性能。因此，如何對(duì)波阻抗梯度材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得性能最優(yōu)化的防護(hù)材料，在空間碎片防護(hù)領(lǐng)域具有重要意義。本發(fā)明從波阻抗梯度材料的防護(hù)機(jī)理出發(fā)，采用理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)高性能波阻抗梯度防護(hù)材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)高性能波阻抗梯度防護(hù)材料設(shè)計(jì)方法的不足，提高波阻抗梯度防護(hù)材料在工程應(yīng)用中的靈活性，本發(fā)明提出將沖擊波理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能波阻抗梯度防護(hù)材料的設(shè)計(jì)。建立彈丸(碎片)撞擊防護(hù)屏的沖擊波理論模型，基于追趕稀疏波特性，確定波阻抗梯度防護(hù)屏第一層厚度與彈丸直徑之比，完成第一層材料的設(shè)計(jì)。采用光滑粒子流(sph)方法建立超高速撞擊數(shù)值模型，在特定材料面密度的條件下，對(duì)波阻抗梯度材料的組份和厚度進(jìn)行排列組合，將這些材料組成的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高速撞擊數(shù)值仿真，對(duì)材料組合進(jìn)行篩選，獲得防護(hù)性能最大化的防護(hù)材料。

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：(1)波阻抗梯度防護(hù)材料中第1層材料和厚度決定了追趕稀疏波的特性，在防護(hù)性能中起到?jīng)Q定性的作用，如何對(duì)第一層材料的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)；(2)波阻抗梯度防護(hù)材料是由多種材料組份組成的多層復(fù)合材料，如何在不增加重量的前提下對(duì)組份/厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防護(hù)性能的最大化。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:

確定高性能波阻抗梯度空間碎片防護(hù)材料的方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)空間碎片的防護(hù)要求，確定防護(hù)目標(biāo)的尺寸和防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，防護(hù)目標(biāo)的尺寸為碎片等效球形彈丸的直徑，防護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括：(1)防護(hù)屏與航天器艙壁或需要防護(hù)部位的間隔距離，其中防護(hù)屏、間距和艙壁組成防護(hù)結(jié)構(gòu)；(2)根據(jù)空間碎片的防護(hù)要求，確定防護(hù)屏的面密度，保證防護(hù)屏的質(zhì)量不增加，面密度為材料設(shè)計(jì)的約束條件；

步驟2：確定波阻抗梯度防護(hù)材料的材料組分，其中材料組分選用常用航空航天材料，包括不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鎂合金或輕質(zhì)陶瓷材料；

步驟3：確定組成波阻抗梯度防護(hù)材料的層數(shù)，波阻抗梯度防護(hù)材料的層數(shù)通常選擇在2-4層，層數(shù)不易過(guò)多，否則降低了對(duì)空間碎片的破碎能力，也不宜過(guò)少，否則不能有效分散彈丸碎片；

步驟4：將選用的材料組分按照阻抗由高到低的順序排列，首層材料具有高密度高阻抗的特點(diǎn)，后續(xù)材料組分阻抗逐層遞減，組成波阻抗梯度防護(hù)屏；

步驟5：確定各層材料組份的厚度

5.1確定彈丸和靶中的沖擊波參數(shù)

基于沖擊波理論，確定在7km/s碰撞時(shí)彈丸和靶中的沖擊波參數(shù)，獲得彈丸和靶中的沖擊波速度、波后粒子速度和密度；

5.2確定波阻抗防護(hù)材料第一層材料厚度

在材料的設(shè)計(jì)中考慮追趕稀疏波的影響，使第一層材料中的沖擊波運(yùn)動(dòng)時(shí)間與稀疏波追趕彈丸中沖擊波的時(shí)間之和大于彈丸中沖擊波到達(dá)背表面的時(shí)間，結(jié)合獲得的沖擊波參數(shù)，計(jì)算出彈丸直徑與靶中第一層材料厚度的比值，根據(jù)防護(hù)目標(biāo)直徑確定第一層材料的厚度；

5.3生成波阻抗梯度材料組份-厚度組合

假設(shè)波阻抗梯度材料由n種材料組成n層結(jié)構(gòu)，按步驟5.2方法確定第一層材料1的厚度l1，在確定第2～(n-1)層厚度時(shí)，以面密度為約束條件，厚度從0.1mm開(kāi)始，0.1mm為變化梯度，對(duì)各材料組份和厚度進(jìn)行窮盡組合，使各種材料組份-厚度組合都被包含；

5.4建立超高速撞擊數(shù)值模型

采用auto-dyn軟件，光滑粒子流(sph)方法建立超高速撞擊數(shù)值模型，防護(hù)屏為波阻抗梯度材料，材料均采用sph方法劃分粒子，根據(jù)自身計(jì)算硬件條件確定劃分粒子尺寸，在模型中選擇gruneisen物態(tài)方程、steinberg本構(gòu)模型和hydro(pmin)失效模型；

5.5材料組份-厚度組合初選

在7km/s速度點(diǎn)，針對(duì)步驟5.3確定的所有材料組份-厚度組合開(kāi)展超高速正撞擊數(shù)值仿真，彈丸材料為al-2a12鋁合金，直徑取防護(hù)目標(biāo)尺寸，以艙壁是否穿孔作為防護(hù)結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則，如果艙壁穿孔則認(rèn)為在撞擊下結(jié)構(gòu)失效防護(hù)失敗，反則認(rèn)為防護(hù)成功，通過(guò)初選；

5.6確定高性能波阻抗梯度防護(hù)材料組份-厚度組合形式

對(duì)初選出的材料組合，重新建立防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，在3-7km/s開(kāi)展超高速撞擊數(shù)值仿真，獲得在3、4、5、6和7km/s速度點(diǎn)的撞擊極限，采用最小二乘法對(duì)它們進(jìn)行擬合，獲得這些防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線(xiàn)；在某速度點(diǎn)，波阻抗梯防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限與鋁合金結(jié)構(gòu)相比的提升比例即為防護(hù)性能提升比例，以此來(lái)評(píng)價(jià)其防護(hù)性能，選出具有最高防護(hù)性能的波阻抗梯度防護(hù)材料，完成高性能波阻抗梯度防護(hù)材料的組合形式。

其中，防護(hù)屏即所設(shè)計(jì)的波阻抗梯度防護(hù)屏。

其中，所述防護(hù)目標(biāo)尺寸越大，面密度越大。

其中，防護(hù)屏厚度通常在1-2mm之間，層數(shù)也受到制備工藝的限制。

進(jìn)一步地，劃分粒子尺寸為0.02mm。

其中，撞擊極限是在某速度點(diǎn)撞擊下結(jié)構(gòu)失效的臨界彈丸直徑。

采用本發(fā)明所提出的高性能波阻抗梯度空間碎片防護(hù)材料設(shè)計(jì)方法，能夠有效的避免梯度界面處反射追趕稀疏波對(duì)彈丸(空間碎片)中沖擊波的影響，提高彈丸的破碎程度，所設(shè)計(jì)出的防護(hù)材料，具有優(yōu)異的防護(hù)性能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用所設(shè)計(jì)的波阻抗梯度材料組成的防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效的分散和消耗空間碎片的初始動(dòng)能，降低對(duì)航天器艙壁的損傷程度，在不增加重量的情況下，與傳統(tǒng)鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)相比防護(hù)性能提升20％以上，極大的提升了航天器在空間碎片環(huán)境中的生存能力，在工程應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的波阻抗梯度防護(hù)材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法中界面反射追趕稀疏波的示意圖；

圖3為本發(fā)明方法中超高速撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖；

圖4為本發(fā)明方法中數(shù)值仿真失效(防護(hù)失敗)示意圖；

圖5為本發(fā)明方法中數(shù)值仿真未失效(防護(hù)成功)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實(shí)施方式，下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實(shí)施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為波阻抗梯度防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)示意圖，它由多層材料按照阻抗由高到低的順序排列組成。首層材料具有高密度高阻抗的特點(diǎn)，能夠提升碎片中的沖擊波強(qiáng)度和能量，提升碎片的破碎、液化甚至氣化程度。根據(jù)沖擊波原理，當(dāng)沖擊波由高阻抗材料向低阻抗材料中傳播時(shí)，分別在界面透射和反射一個(gè)沖擊波和稀疏波。隨后的第二層材料具有比第一層低的密度和阻抗，能夠在改變沖擊波傳輸路徑和時(shí)間的同時(shí)反射稀疏波增加彈丸的破碎程度和擴(kuò)散速度。以此類(lèi)推，最后一層材料具有最低的密度和阻抗，能夠達(dá)到再次改變沖擊波傳輸路徑和反射稀疏波的效果。

基于沖擊波理論，分析追趕稀疏波特性，對(duì)第一層材料的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。以約束面密度為不增加重量的約束條件(例：面密度等于1.0mm厚鋁合金)，對(duì)除第一層外的其它材料的組份-厚度進(jìn)行排列組合。建立超高速撞擊數(shù)值模型，對(duì)每種材料組合進(jìn)行超高速撞擊數(shù)值仿真，獲得具有最優(yōu)防護(hù)性能的組份-厚度組合，完成高性能波阻抗梯度防護(hù)材料的設(shè)計(jì)。

(1)彈丸和靶中的沖擊波參數(shù)的確定

碰撞之前彈丸的速度為v。碰撞時(shí)，彈丸中壓縮區(qū)內(nèi)的粒子速度減小upp(p代表彈丸，t代表防護(hù)屏第一層，upp是彈丸內(nèi)粒子相對(duì)于移動(dòng)參考系的速度)，因此粒子速度變?yōu)関-upp。靶內(nèi)的粒子速度為upt。根據(jù)守恒定律和沖擊波理論：

可求出粒子速度：

其中：

沖擊波速度分別為：

dp＝cp+λpupp

(4)

dt＝ct+λtupt

(5)

(2)波阻抗防護(hù)材料第一層材料厚度的確定

彈丸撞擊波阻抗梯度防護(hù)材料后，當(dāng)靶中的沖擊波達(dá)到第一層界面時(shí)，立即反向反射一個(gè)稀疏波。來(lái)自靶中界面的追趕稀疏波追趕上彈丸中的沖擊波陣面時(shí)，彈丸中的沖擊波速度和強(qiáng)度立刻下降，降低沖擊波對(duì)彈丸的破碎能力，降低抵御碎片撞擊的能力。因此，在材料的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮追趕稀疏波的影響，使靶第一層材料中的沖擊波運(yùn)動(dòng)時(shí)間與稀疏波追趕彈丸中沖擊波的時(shí)間之和大于彈丸中沖擊波到達(dá)背表面的時(shí)間(圖2)。

根據(jù)追趕比r的定義(彈丸直徑d與靶中第一層材料的厚度l1的比值)，結(jié)合沖擊波參數(shù)的計(jì)算結(jié)果(4)(5)，即可得到第一層材料的厚度l1。

(3)生成波阻抗梯度材料組份-厚度組合

假設(shè)波阻抗梯度材料由n種材料組成n層結(jié)構(gòu)，按步驟(2)方法確定第一層材料1的厚度l1。在確定第2～(n-1)層厚度時(shí)，以特定面密度為約束條件，即滿(mǎn)足式(7)，從厚度0.1mm開(kāi)始，0.1mm為變化梯度，對(duì)各材料組份和厚度進(jìn)行窮盡組合，使各種材料厚度組合都被包含。

ρm＝ρ1l1+ρ2l2+ρ3l3…+ρnln(7)

(4)建立超高速撞擊數(shù)值模型

計(jì)算采用auto-dyn軟件，光滑粒子流(sph)方法建立如圖3中的數(shù)值模型。防護(hù)屏為波阻抗梯度材料，根據(jù)工程應(yīng)用中的實(shí)際需求，確定防護(hù)間距s(例如：100mm)，艙壁厚度tw(例如：2.5mm)。材料均采用sph方法劃分粒子，根據(jù)自身計(jì)算硬件條件確定劃分粒子尺寸(例如：0.02mm)。在模型中選擇gruneisen物態(tài)方程、steinberg本構(gòu)模型和hydro(pmin)失效模型。

(5)材料組份-厚度組合初選

在7km/s速度點(diǎn)，對(duì)組份-厚度組合的所有材料開(kāi)展超高速正撞擊數(shù)值仿真，彈丸材料為al-2a12鋁合金，直徑取防護(hù)目標(biāo)尺寸。以艙壁是否穿孔作為防護(hù)結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則，如果艙壁穿孔認(rèn)為在撞擊下結(jié)構(gòu)失效防護(hù)失敗(圖4)，反則認(rèn)為防護(hù)成功(圖5)，通過(guò)初選。

(6)確定高性能波阻抗梯度防護(hù)材料組份-厚度的組合形式

對(duì)初選出的材料組合，重新建立圖3中的防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，在3-7km/s開(kāi)展超高速撞擊數(shù)值仿真，獲得在3、4、5、6和7km/s速度點(diǎn)的撞擊極限(撞擊極限是在某速度點(diǎn)撞擊下結(jié)構(gòu)失效的臨界彈丸直徑)。采用最小二乘法對(duì)它們進(jìn)行擬合，獲得這些防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線(xiàn)。在某速度點(diǎn)，波阻抗梯防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限與鋁合金結(jié)構(gòu)相比的提升比例即為防護(hù)性能提升比例，以此來(lái)評(píng)價(jià)其防護(hù)性能，優(yōu)選出具有最高防護(hù)性能的波阻抗梯度防護(hù)材料，完成高性能波阻抗梯度防護(hù)材料的設(shè)計(jì)。防護(hù)材料不宜選用高分子聚合物等易氧化、熔點(diǎn)低的材料。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。