相升海,張 爽,唐恩凌,王 猛,袁健飛,張立佼,徐名揚(yáng)

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

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太空太陽能電池陣超高速碰撞毀傷特性的數(shù)值研究

相升海,張 爽,唐恩凌,王 猛,袁健飛,張立佼,徐名揚(yáng)

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

太空太陽能電池陣服役期間易遭受空間碎片的撞擊,在3～5 km/s的速度范圍內(nèi)進(jìn)行了太空太陽能電池陣超高速碰撞毀傷特性的數(shù)值研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。得到了不同時刻的應(yīng)力云圖及碰撞速度與穿孔尺寸的關(guān)系曲線。研究表明:碰撞位置產(chǎn)生橢圓形穿孔,碰撞在中心位置時,穿孔尺寸在長軸和短軸方向均隨速度的增加而增大,最后趨于定值;玻璃蓋片出現(xiàn)放射性裂紋。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

超高速碰撞;太空太陽能電池陣;應(yīng)力云圖;穿孔尺寸

0 引言

隨著人類航天活動的日益頻繁,空間碎片的數(shù)量逐年遞增,在地球近地軌道上分布著大量的空間碎片,如果與航天器發(fā)生碰撞,將會使航天器受到嚴(yán)重毀傷。太空太陽能電池陣直接暴露于空間,由于其面積較大,所以遭遇碎片撞擊的概率較大。2008年黃建國進(jìn)行了近地軌道空間微小碎片對太空太陽能電池陣的累積撞擊毀傷效應(yīng)的研究,2010年李宏偉利用等離子體驅(qū)動微小碎片加速器開展了空間碎片撞擊對太空太陽能電池陣表面毀傷的地面模擬實(shí)驗(yàn)[1-3]。

文中利用ANSYS軟件對太空太陽能電池陣超高速撞擊進(jìn)行了數(shù)值模擬,并且運(yùn)用二級輕氣炮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,從而得出不同碰撞條件下太空太陽能電池陣的毀傷特性,為以后研究太空太陽能電池陣超高速碰撞產(chǎn)生的功能影響奠定基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型的建立與離散化

太空太陽能電池陣可簡化為由玻璃蓋片(迎光面)、硫化硅橡膠RTV(粘接層)及鋁板(襯板)膠合而成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。太空太陽能電池陣鋁襯板的幾何尺寸為120 mm×100 mm×2 mm;玻璃蓋片與硅膠長40 mm,寬20 mm,玻璃蓋片與硅膠的厚度分別為0.15 mm和0.18 mm?？臻g中存在的碎片多種多樣,文中采用球形彈丸模擬空間碎片,直徑為4.6 mm?；谏鲜鰩缀纬叽缃?shù)值計(jì)算模型,碰撞時將電池陣進(jìn)行約束,碰撞角度為30°。用六面體單元進(jìn)行離散化,彈丸的最大單元邊長為0.14 mm;太空太陽能電池陣受撞擊區(qū)域的最大單元邊長為0.2 mm,其它區(qū)域的最大單元邊長為1 mm。當(dāng)碰撞點(diǎn)在幾何中心位置處,模型共劃分為961 884個單元,1 096 267個節(jié)點(diǎn);當(dāng)碰撞點(diǎn)在B1與B2(B3與B4)交界面的中點(diǎn)位置處模型共劃分為601 784個單元,709 856個節(jié)點(diǎn)。參見圖1。

圖1 太空太陽能電池陣的實(shí)物照片、數(shù)值模擬圖以及網(wǎng)格化分的局部放大圖

1.2 模型的本構(gòu)方程及材料參數(shù)的選擇

玻璃蓋片屬于脆性材料,采用JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS本構(gòu)模型。等效應(yīng)力表示為:

(1)

(2)

D為累計(jì)損傷值:

(3)

當(dāng)材料從塑性變形到斷裂的過程中,應(yīng)變可表示為:

εp,f=d1(p*+t*)d2

(4)

當(dāng)材料被破壞時,所受到的應(yīng)力為:

(5)

表1 玻璃蓋片的主要參數(shù)[4]

表1中:G為剪切模量;HEL為Hugoniot彈性極限;SFMAX為最大的歸一化斷裂強(qiáng)度。

硫化硅橡膠為粘彈性材料,采用Viscoelastic模型。本構(gòu)方程為:

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt

(6)

式中:G0為短期剪切模量;G∞為長期剪切模量;β為衰減常數(shù)。硅膠的材料參數(shù)如表2所示。

表2 硫化硅橡膠的參數(shù)[5]

表2中:K為彈性體積模量。

彈丸和鋁襯板的材料均為2A12鋁。由于超高速碰撞過程中,彈丸與靶板接觸區(qū)域發(fā)生了劇烈的塑性變形和局部穿孔破壞,所以在數(shù)值計(jì)算中彈丸和鋁襯板均采用基于粘塑性理論的Johnson-Cook材料模型。其流動屈服應(yīng)力σy可表示為:

(7)

Johnson-Cook失效模型適合于描述金屬在高溫高應(yīng)變率下的破壞現(xiàn)象?；贘ohnson-Cook失效模型描述2A12鋁的失效行為,失效模型定義如下:

(8)

表3 彈丸和鋁襯板的主要材料參數(shù)[6]

2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為彈丸以4.3 km/s的速度在電池陣4個單元中心位置處碰撞前后的數(shù)值模擬圖(彈丸向下斜碰撞)。

圖2 碰撞太空太陽能電池陣4個單元的幾何中心位置處碰撞前后的數(shù)值模擬圖

由圖2(b)可以看出:碰撞后產(chǎn)生的穿孔形狀為橢圓形,碰撞后玻璃蓋片呈裂紋狀破碎,4塊玻璃蓋片均出現(xiàn)裂紋,由于是斜向下碰撞,下面2塊玻璃蓋片毀壞較嚴(yán)重,上面2塊玻璃蓋片只是在碰撞開始時刻與彈丸接觸,所以毀壞情況比下面2塊輕。鋁襯板被穿透,產(chǎn)生的穿孔尺寸在橢圓的長軸和短軸方向上分別為10.6 mm和8.4 mm。圖3為彈丸以4.2 km/s的速度在電池陣左側(cè)2個玻璃蓋片交界的中心位置處碰撞前后的數(shù)值模擬圖(彈丸向下斜碰撞)。

圖3 碰撞太空太陽能電池陣左側(cè)2玻璃蓋片交界面中心位置處碰撞前后的數(shù)值模擬

由圖3(b)可以看出:碰撞產(chǎn)生的穿孔形狀亦為橢圓形,碰撞后玻璃蓋片呈裂紋狀破碎,只有碰撞點(diǎn)附近的2個單元的玻璃蓋片出現(xiàn)裂紋,其余2個單元的玻璃蓋片完好。鋁襯板被穿透,穿孔尺寸在橢圓的長軸和短軸方向上分別為9.5 mm和8.3 mm。

圖4為彈丸以4.3 km/s的速度碰撞電池陣幾何中心過程中不同時刻玻璃蓋片的等效應(yīng)力及其應(yīng)力云圖。

玻璃蓋片為脆性材料,失效形式是突然斷裂,所以采用最大拉應(yīng)力理論來衡量玻璃蓋片的失效。由于A點(diǎn)離碰撞點(diǎn)存在一定的距離,應(yīng)力波的傳播需要一定的時間,所以應(yīng)力波在0.8 μs時傳到A點(diǎn),參見圖4(a);隨后應(yīng)力迅速增大,在1.2 μs時達(dá)到70 MPa,這時彈丸已經(jīng)穿過玻璃蓋片,開始接觸到鋁襯板,如圖4(b)所示,在2 μs時A點(diǎn)處的應(yīng)力達(dá)到了最大值約為82 MPa,超過了玻璃蓋片的最大抗拉強(qiáng)度70 MPa,導(dǎo)致A點(diǎn)處玻璃蓋片破碎,見圖4c;圖4d中A、B、C三點(diǎn)的破壞情況不同是因?yàn)?A點(diǎn)離碰撞點(diǎn)最近,B點(diǎn)離碰撞點(diǎn)較A點(diǎn)遠(yuǎn),但B點(diǎn)應(yīng)力的最大值約為81 MPa,也超過了玻璃蓋片的最大抗拉強(qiáng)度,B點(diǎn)處也破碎;C點(diǎn)處離碰撞點(diǎn)最遠(yuǎn),應(yīng)力的最大值約為28 MPa,沒有超過玻璃蓋片的最大抗拉強(qiáng)度,C點(diǎn)處玻璃蓋片未出現(xiàn)破碎。

圖4 不同時刻玻璃蓋片的等效應(yīng)力及其應(yīng)力云圖

圖5為彈丸以4.2 km/s的速度碰撞電池陣2玻璃蓋片交界位置時不同時刻玻璃蓋片的等效應(yīng)力及其應(yīng)力云圖。

當(dāng)碰撞在2塊玻璃蓋片交界位置時,圖5d中A、B、C三點(diǎn)處玻璃蓋片的失效情況與上面圖4中A、B、C三點(diǎn)的失效情況類似,在此不多做介紹。

圖6為彈丸碰撞電池陣4單元中心位置處產(chǎn)生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關(guān)系曲線。由圖6可明顯看出:碰撞產(chǎn)生的穿孔尺寸在橢圓的的短軸和長軸方向上均隨碰撞速度的增加而增大,最后趨于定值。圖7為彈丸碰撞電池陣左側(cè)2個單元交界面中心位置處產(chǎn)生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關(guān)系曲線。

圖5 不同時刻玻璃蓋片的等效應(yīng)力及其應(yīng)力云圖

圖6 碰撞產(chǎn)生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關(guān)系

圖7表明碰撞產(chǎn)生的穿孔尺寸在橢圓的短軸和長軸方向上均隨碰撞速度的增加先增大后減小,最后趨于定值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)榕鲎菜俣群芨?產(chǎn)生了應(yīng)力集中的現(xiàn)象;隨著碰撞速度的增大,彈丸的能量逐漸增大,彈丸穿透電池陣的時間也會很短,在很短的時間內(nèi)彈丸要釋放很大的能量,所以產(chǎn)生的穿孔會隨速度的增大而增大;后來穿孔又變小是因?yàn)樗俣戎饾u變大,當(dāng)彈丸能量膨脹釋放時彈丸早已穿透電池陣。

圖7 碰撞產(chǎn)生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)是在二級輕氣炮上完成的。速度測量采用磁感應(yīng)測速法。

實(shí)驗(yàn)時采用航天器上使用的真實(shí)太陽能電池陣,彈丸為直徑4.6 mm的實(shí)心2A12鋁球,文中選取了入射角度為30°角的2組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表4為實(shí)驗(yàn)基本碰撞參數(shù)。

表4 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

圖8為超高速碰撞電池陣不同位置處的毀傷形貌實(shí)驗(yàn)照片。

圖8 不同碰撞位置處太空太陽能電池陣的毀傷形貌實(shí)驗(yàn)照片

圖8(a)表明電池陣的4塊玻璃蓋片均呈裂紋狀破碎,鋁襯板被穿透,穿孔呈橢圓形,長軸和短軸的尺寸分別為11.5 mm和9.1 mm,比數(shù)值模擬結(jié)果分別偏大7.9%和7.7%。

圖8(b)表明:實(shí)驗(yàn)照片中只有被撞擊的2個電池陣單元玻璃蓋片破碎,其余2個電池陣單元幾乎未受到損壞;鋁襯板被穿透,穿孔亦呈現(xiàn)橢圓形,長軸和短軸的尺寸分別為10.8 mm和8.6 mm,比數(shù)值模擬結(jié)果分別偏大7.9%和3.5%。產(chǎn)生這種差異是因?yàn)閿?shù)值模擬時采用了均質(zhì)各向同性材料,但穿孔形狀基本相似,幾何尺寸基本相近,所以數(shù)值模擬結(jié)果是合理可信的。

4 結(jié)論

1)碰撞位置產(chǎn)生橢圓形穿孔。碰撞在中心位置處,產(chǎn)生的穿孔尺寸在橢圓的長軸和短軸方向上均隨碰撞速度的增加而增大,最后趨于定值;碰撞在電池陣單元與單元的交界位置處,產(chǎn)生的穿孔尺寸在橢圓的長軸和短軸方向上均隨碰撞速度的增加先增大后減小,最后趨于定值。

2)玻璃蓋片上出現(xiàn)發(fā)射性裂紋。

3)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

[1] NICHOLAS Robert George. Laboratory investigation of oblique hypervelocity impacts with relevance to in situ meteoroid and space debris detectors [OL]. (2015-09-11)[2016-05-11]. http: ∥ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.301828.

[2] 黃建國, 韓建偉, 李宏偉. 空間微小碎片對低軌道航天器太陽能電池表面撞擊毀傷研究 [J]. 物理學(xué)報, 2008, 57(12): 7950-7954.

[3] 李宏偉, 黃建國, 韓建偉. 空間微小碎片撞擊太陽電池表面毀傷評估方法 [J]. 科學(xué)通報, 2010, 55(26): 2576-2681.

[4] 張志友. 脆性材料的缺口敏感性數(shù)值模擬研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2012: 25-27.

[5] 江棋. 幾種建筑玻璃在爆炸沖擊波載荷作用下動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬 [D]. 綿陽: 西南科技大學(xué), 2010: 42-44.

[6] 張偉, 魏剛. 2A12鋁合金本構(gòu)關(guān)系和失效模型 [J]. 兵工學(xué)報, 2013, 34(3): 276-281.

收稿日期:2015-08-28

基金項(xiàng)目:中國博士后科學(xué)基金(200801493;20080430223)資助

作者簡介:顧國華(1981-),男,江西九江人,講師,博士,研究方向:智能檢測與模式識別。

Numerical Study on Damage Characteristics of Hypervelocity Impact Solar Array

XIANG Shenghai,ZHANG Shuang,TANG Enling,WANG Meng,YUAN Jianfei, ZHANG Lijiao,XU Mingyang

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Solar array will suffer from debris impact during their service in orbit, The damage characteristics of hypervelocity impact solar array were simulated and the results were verified by the experiment in 3～5 km/s. The stress nephogram at different collision time and the curve of impact velocity and perforation diameter were obtained. The study results show that the oval perforation along the long axis and the short axis increases at first, then decreases and, tends to be stable at last with the impact velocity increasing when the impact point positioned in central. Numerical simulation and experimental results are basically consistent.

hypervelocity impact; solar array; stress nephogram; perforation

2015-09-11

國家自然科學(xué)基金(11272218;11472178);遼寧省“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目;遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LR2013008);遼寧省兵器科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助。

相升海(1960-),男,山東莒縣人,教授,博士,研究方向:彈藥工程與火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)。

O383;O531

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