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三层铝板结构高速撞击损伤与极限特性

文章出处:人气:0发表时间:2018/4/2 18:30:42

摘 要: 利用二级轻气炮发射铝球弹丸,在真空环境下高速撞击双层铝板和三层铝板结构,研究撞击速度、板间距、铝板厚度对结构撞击损伤的影响。然后分析三层铝板结构的撞击极限速度,并与相同面密度的双层铝板结构的试验结果进行比较。结果表明,当面密度相同时,三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力,增加首层铝板厚度有助于提高三层铝板结构高速撞击防护性能,当第二层铝板位于首层铝板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。

空间碎片高速撞击在轨航天器所产生的危害已获得广泛关注1  2有关空间碎片环境下航天器的撞击损伤与防护设计问题得到了航天领域研究者的高度重视3 5]早期的航天器主要以增加舱壁厚度来提高其抵抗空间碎片撞击的能力之后鉴于航天器有效防护质量利用率的要求相继提出了Whipple 防护多冲击防护和填充式防护等多种轻质高效的防护结构方案6  8并将金属丝网Kevlar纤维布Nextel 纤维布等编织材料应用于防护结构[9 11]弹丸击穿防护屏后的次生碎片尺寸大小质量分布速度分布是影响航天器舱壁撞击损伤的 重要因素在防护屏面密度相同总防护间距不变 的情况下变化防护板间距和防护板厚度将影响撞 击弹丸的破碎响应以及次生碎片云的扩散和吸收效因此有必要对三层铝板结构的高速撞击损伤与撞击极限特性进行研究目前针对相同面密度下双层铝板结构和三层铝板结构撞击极限特性的对比研究尚不多见本文在双层铝板结构基础上计了三层铝板结构利用二级轻气炮发射 2017 铝球弹丸分别对相同面密度的双层铝板结构和三层铝板结构进行高速正撞击试验得到了两种防护结构的高速撞击损伤模式分析了三层铝板结构的高速撞击防护性能与防护板间距防护板厚度等结构参数的关系并与双层铝板结构的撞击极限特性进行了比较

1、高速撞击试验:


试验分别采用双层铝板结构( 结构 A1 A2) 三层铝板结构( 结构B1 B2) 两种防护方案如图 1 所示在两种防护方案中舱壁是厚度为 3 mm 5A06 铝板总防护间距均为 100 mm。双层铝板结构的防护屏分别是厚度为1 mm 2 mm 2A12 铝板如图 1( a) 、1( b) 所示三层铝板结构的防护屏分别由两层厚度为 0 5 mm 和两层厚度为 1  mm  2A12铝板组成两层防护板间距为 50 mm如图 1 ( c) 1( d) 所示为研究防护板厚度对防护结构撞击损伤特性的影响在三层铝板结构中本文选用了由厚度 1 5 mm  0 5 mm  2A12 铝板组成的防护屏研究防护板间距对防护结构撞击损伤特性的影响文除在防护屏中采用 50 mm 的防护板间距外还选用了 10 mm 90 mm 两种防护板间距组合

试验采用的弹丸加速设备是非火药驱动二级轻 气炮一级使用氮气驱动活塞二级使用氢气驱动弹  丸和弹托并利用气动阻力实现弹托与弹丸分离弹丸为 2017 铝球直径分别为 3 97  mm4 76  mm 5  mm  6 35  mm撞击速度为 0 95  5 84  km / s撞击角为 0°弹丸速度采用磁感应方法测量测量精度高于 2% 靶舱内压力小于 200  Pa环境温度为室温


2、试验结果:

本文针对两种防护屏面密度的三层铝板结构和 双层铝板结构进行了高速正撞击试验得到了防护 板及舱壁在铝球弹丸不同撞击速度时的损伤模式 获得了弹丸直径分别为 3 97  mm4 76  mm  5  mm

图 1 试验结构示意图

1 试验结构示意图

时防护结构发生临界失效时的撞击极限速度并将相同面密度的三层铝板结构和双层铝板结构的试验结果进行了比较部分试验结果如图 2 5 所示

图 2 双层铝板结构的舱壁损伤

2 双层铝板结构的舱壁损伤

铝球弹丸高速正撞击双层铝板结构和三层铝板 结构后第一层防护板均为圆形穿孔撞击速度较低  穿孔边缘塑性拉伸翻边并伴有小裂纹撞击速  度较高时穿孔边缘无明显塑性变形且边缘整齐舱壁损伤主要表现为成坑鼓包剥落穿孔等破坏  形式舱壁损伤形式因撞击速度的不同而有所区 撞击速度较低时舱壁撞击中心弹坑和穿孔近似 呈圆形撞击速度较高时舱壁撞击中心为不规则撕 裂穿孔非圆形弹坑密集群或撞击中心区域塑性变 有时伴随背面的材料剥落对于双层铝板结构 当撞击速度接近 3 km / s 舱壁撞击面上的小弹坑

图 3 三层铝板结构的撞击损伤

3 三层铝板结构的撞击损伤

呈明显的规律性分布表现为撞击中心的小弹坑密 集分布和外围的小弹坑环形分布如图 2 所示于三层铝板结构当撞击速度接近 3 km / s 第二层防护板撞击中心为不规则撕裂穿孔中心穿孔周 围分布许多小穿孔和小弹坑如图 3 ( a) 、3 ( b) 舱壁撞击面上的小弹坑分布无显著的规律性 如图 3( c) 、3( d) 所示在相同撞击条件下三层铝板结构的防护板间距组合不同防护板厚度组合不 弹丸撞击后的第二层防护板及舱壁损伤不同 4  5 所示

3、讨论与分析:

     3 1舱壁损伤:

舱壁的损伤来自弹丸击穿防护板所产生的次生粒子的撞击弹丸撞击速度是影响次生粒子尺寸大小和速度分布的主要因素 6 给出了本文所选用的防护结构受到铝球撞击后的舱壁损伤与撞击速度的关系其中描述舱壁撞击损伤的参量为中心穿孔等效面积圆直径和舱壁背面最大鼓包高度

图 4 不同防护板厚度组合的试验结果 Fig. 4    Damage results of three-layer plate structure for the different thickness of the first plate  图 5 不同防护板间距组合的试验结果 Fig. 5    Damage results of three-layer plate structure for the different space

由图 6 ( a) 、6 ( b) 可以看出在本文试验条件当铝球直径为 3 97  mm  4 76  mm 随着撞击速度的增加双层铝板结构  A1  和三层铝板结构B1 的舱壁损伤形式依次为鼓包穿孔鼓包舱壁穿孔经历了先增大再减小的过程即存在舱壁穿孔最大尺寸在弹丸直径相同的情况下三层铝板结构B1 的舱壁中心穿孔等效面积圆直径的最大值均小于双层铝板结构 A1 的舱壁穿孔尺寸与三层铝板结构 B1 相比双层铝板结构 A1 舱壁会在更大速度范围内发生穿孔失效由图 6( c) 可以看出在本文试验条件下对于直径为 3 97  mm 的铝球双层铝板结构 A2 和三层

图 6 舱壁损伤与撞击速度的关系

6 舱壁损伤与撞击速度的关系

  铝板结构 B2 的舱壁均未发生穿孔且在撞击速度相同时与结构 A2 相比结构 B2 的舱壁背面鼓包高度较小同时发现随着撞击速度的增加结构A2 舱壁背面鼓包达到最大高度后开始逐渐减小并出现背面材料的剥落这说明结构 A2 和结构B2 可以完全防护直径为 3 97  mm 的铝球的高速撞由图 6( d) 可以看出对于直径为 4 76  mm 铝球在本文试验速度范围内随着撞击速度的增舱壁损伤表现为鼓包穿孔鼓包三个阶段且舱壁撞击中心穿孔尺寸存在最大值当舱壁不再穿孔撞击中心区域出现整体塑性变形凸起且在撞击速度相同的情况下结构 B2 的舱壁穿孔尺寸小于结构 A2 的舱壁穿孔尺寸同时发现使结构 A2 生舱壁穿孔的撞击速度范围大于使结构 B2 发生舱壁穿孔的撞击速度范围

图 7 舱壁损伤与防护板间距组合的关系

  图 7 给出了防护板间距组合对三层铝板结构舱壁撞击损伤的影响,其中横坐标“1”、“2”、“3”分别表示防护板间距组合“25  mm - 75  mm”、“50  mm -50  mm”和“75  mm - 25  mm”,此时,防护板厚度均为 0.  5  mm,弹 丸直径为  3.  97  mm,撞 击速度为3. 97  km / s。由 图  7  可 知,间 距 组 合“50  mm  - 50  mm”的三层铝板结构舱壁弹坑深度和鼓包高度最小,间距组合“25  mm - 75  mm”的三层铝板结构舱壁弹坑深度和鼓包高度最大,这说明,首层铝板与舱壁之间的中间位置是第二层铝板破碎次生碎片及扩散次生碎片云团动能的最佳位置。

8 给出了防护板厚度组合对三层铝板结构舱壁撞击损伤的影响其中横坐标123分别表示防护板厚度组合1 5  mm  0 5  mm1  mm 1  mm0 5  mm  1 5  mm此时弹丸直径为6 35  mm撞击速度为 4 3  km / s由图 8 可知厚度组合1 5  mm  0 5  mm的三层铝板结构舱壁中心穿孔尺寸和穿孔区鼓包高度最小厚 度组合0 5 mm  1 5 mm的三层铝板结构的舱壁中心穿孔尺寸和穿孔区鼓包高度最大这说明在防护屏面密度相同的情况下适当增加首层铝板厚度所占比重有助于三层铝板结构高速撞击防护性能的提高

图 8 舱壁损伤与防护板板厚组合的关系

8 舱壁损伤与防护板板厚组合的关系

根据上述损伤规律可知与双层铝板结构相比   三层铝板结构可防护更大速度范围的弹丸撞击弹丸直径为 3 97  mm 三层铝板结构 B1 的击穿速度范围比双层铝板结构 A1 缩小了 24 3% ; 当弹丸直径为 4 76  mm 三层铝板结构 B1  B2 的击穿速度范围比双层铝板结构 A1  A2 分别缩小了37 1%  58% 因此在防护屏面密度相同的情况三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力究其原因双层铝板结构的防护屏对弹丸只施加一次破碎作用弹丸破碎更依赖于初 始撞击速度而三层铝板结构的防护屏对弹丸施加 两次破碎作用高强度的连续撞击可使弹丸破碎更 加均匀从而减弱弹丸破碎对撞击速度的依赖过舱壁的损伤模式亦可发现随着撞击速度的提高双层铝板结构的舱壁背面穿孔周围出现了较大面积 的材料剥落撞击中心区域的塑性后凸变形并不显 这说明次生碎片云团对舱壁的作用仍以其中 较大尺寸粒子的撞击为主且撞击速度较大舱壁背  面出现了应力波拉伸效应三层铝板结构的舱壁背 面无材料剥落撞击中心区域有明显的塑性后凸变 这说明由于防护板的两次作用撞击舱壁的次  生碎片云团中已无较大尺寸碎片舱壁损伤是次生 碎片云团的整体作用效应且撞击速度较低舱壁的 穿孔失效是塑性拉伸断裂的结果

图 9 第二层铝板中心穿孔直径与撞击速度的关系

9 第二层铝板中心穿孔直径与撞击速度的关系

3 2 、第二层防护板损伤:

三层铝板结构中的第二层铝板可进一步破碎次生碎片云团中的大尺寸粒子阻挡小尺寸粒子并通过自身破坏耗散次生碎片云团的撞击动能。图 9 和图 10 分别给出了三层铝板结构 B1 和 B2 受到铝球弹丸撞击后第二层铝板损伤与撞击速度的关系,并对结构 B1 和 B2 第二层铝板损伤情况进行了比较,其中,描述第二层铝板撞击损伤的参量为中心穿孔等效面积圆直径和小穿孔数量。

 10 第二层铝板小穿孔数量与撞击速度的关系

图 10 第二层铝板小穿孔数量与撞击速度的关系

  由 图 9 和 图 10 可 以 看 出,对 于 直 径 为3. 97 mm、4. 76 mm 和 5 mm 的 2017 铝球弹丸,在本文试验速度范围内,随着撞击速度的增加,三层铝板结构 B1 和 B2 的第二层铝板撞击中心穿孔尺寸总体上趋于增大,第二层铝板上小穿孔数量总体上趋于增多,且在相同撞击速度下,弹丸直径越大,中心穿孔直径越大,小穿孔数量越多。同时发现,当防护结构舱壁由击穿到未击穿后,与舱壁穿孔时相比,第二层铝板撞击中心穿孔尺寸出现较大突增,小穿孔数量明显增多。这说明,弹丸经过初次撞击后,已由单一大粒子破碎为包含多个小粒子的粒子团,且在两个防护板之间不断膨胀。较大尺寸的次生粒子局限于撞击中心,而是发生了横向飞溅扩散,造成第二层铝板撞击中心外围的更大破坏。根据第二层铝板损伤规律可知,第二层铝板的撞击中心穿孔越大,小穿孔数量越多,三层铝板结构舱壁损伤越趋于减轻。由于第二层铝板的作用是破碎次生碎片、阻挡次生碎片云团,因此,随着撞击速度的增大,首层铝板对弹丸的撞击破碎使弹丸初始撞击动能的横向扩散加剧,第二层铝板在更大面积上与次生碎片云团发生作用,在造成第二层铝板发生更大面积破坏的同时,消耗了次生碎片云团的更多撞击动能。当经过第二层铝板阻挡破碎后的再生碎片云团的剩余动能小于某个临界值后,舱壁将不再发生穿孔失效,因此,第二层铝板的破坏参数可作为三层铝板结构高速撞击防护性能的评价依据。

3. 3、撞击极限撞击极限是评价防护:

  结构高速撞击防护性能的重要参数,本文选用防护结构舱壁发生临界穿孔时的撞击速度作为撞击极限描述参量。图 11 给出了双层铝板结构 A1、A2 和三层铝板结构 B1、B2 发生临界穿孔时的撞击极限速度,撞击极限速度取使防护结构舱壁发生穿孔和不穿孔时撞击速度的中值。考虑到试验时间及费用,且不会带来较大的误差,本文在确定撞击极限速度时选取的使防护结构舱壁穿孔和不穿孔的速度差小于 0. 5 km/s。在本文试验速度范围内,针对 3. 97 mm、4. 76 mm 和 5 mm 的铝球弹丸,共获得了 14 个撞击极限速度点,对于每一种直径的弹丸,每一种防护结构均存在两个撞击极限速度点。

图 11 三层铝板结构与双层铝板结构撞击极限比较


由图 11 可以看出,对于相同直径的铝球弹丸,在防护屏面密度相同的情况下,与双层铝板结构相比,三层铝板结构的第一撞击极限速度均有所提高,而第二撞击极限速度均有所降低。当弹丸直径为3. 97 mm 时,结构 B1 的第一撞击极限速度增加了4. 4% ,第二撞击极限速度减小了 14. 5% ,结构 A2和 B2 不存在舱壁发生穿孔的撞击速度。当弹丸直径为 4. 76 mm 时,结构 B1 的第一撞击极限速度增加了 8. 2% ,第二撞击极限速度减小了 27. 5% ,结构B2 的第一撞击极限速度增加了 3. 3% ,第二撞击极限速度减小了 26. 8% 。同时发现,对于相同的防护结构,随着弹丸直径的增大,防护结构的第一撞击极限速度减小,第二撞击极限速度增大。由撞击极限速度变化规律可知,在防护屏面密度相同的情况下,与双层铝板结构相比,三层铝板结构的高速撞击防护能力显著提高,且第一撞击极限速度变化较小,第二撞击极限速度变化较大。

4、 结 论:

1) 在防护屏面密度相同的情况下,与双层铝板结构相比,三层铝板结构对高速撞击粒子有效防护的速度范围增大,高速撞击防护能力增强。

2) 在防护屏总厚度一定的情况下,适当增加首层铝板厚度在防护屏中所占比重有助于三层铝板结构高速撞击防护性能的提高。3) 在总防护间距一定的情况下,第二层防护板位于首层防护板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。








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