本發(fā)明屬于空間碎片防護(hù)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，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)：

空間碎片是指人類空間活動所產(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)來對航天器進(jìn)行防護(hù)。該結(jié)構(gòu)利用加裝在艙壁外的防護(hù)屏來攔截高速碎片，達(dá)到消耗和分散空間碎片動能的效果，從而大大降低了空間碎片對艙壁的破壞作用。防護(hù)屏的材料特性對防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力有很大的影響。對于航天器防護(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，侯明強等人【侯明強，龔自正，楊繼運，鄭建東，童靖宇，向樹紅.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)過程，分析了沖擊波在阻抗梯度材料中的傳播規(guī)律，計算了撞擊過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，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，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.第十一屆全國沖擊動力學(xué)學(xué)術(shù)會議,2013】。

在工程應(yīng)用中，需要對不同需求的防護(hù)材料進(jìn)行設(shè)計。然而，目前還未提出能夠有效設(shè)計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)材料通過調(diào)節(jié)沖擊波在其中的傳輸路徑和時間，來達(dá)到破碎彈丸和分散碎片云質(zhì)量、動量的目的，不同材料組份和厚度對防護(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)生的第一個沖擊波對彈丸的破碎起決定性作用。但是，如果設(shè)計不合理，防護(hù)屏中的追趕稀疏波將對該沖擊波進(jìn)行卸載，極大的影響了防護(hù)性能。因此，如何對波阻抗梯度材料進(jìn)行設(shè)計，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，實現(xiàn)高性能波阻抗梯度防護(hù)材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對高性能波阻抗梯度防護(hù)材料設(shè)計方法的不足，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)合來實現(xiàn)高性能波阻抗梯度防護(hù)材料的設(shè)計。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。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，如何對第一層材料的厚度進(jìn)行設(shè)計；(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組份/厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(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)不易過多，否則降低了對空間碎片的破碎能力，也不宜過少，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，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)計中考慮追趕稀疏波的影響，使第一層材料中的沖擊波運動時間與稀疏波追趕彈丸中沖擊波的時間之和大于彈丸中沖擊波到達(dá)背表面的時間，結(jié)合獲得的沖擊波參數(shù)，計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，以面密度為約束條件，厚度從0.1mm開始，0.1mm為變化梯度，對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，針對步驟5.3確定的所有材料組份-厚度組合開展超高速正撞擊數(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開展超高速撞擊數(shù)值仿真，獲得在3、4、5、6和7km/s速度點的撞擊極限，采用最小二乘法對它們進(jìn)行擬合，獲得這些防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線；在某速度點，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，以此來評價其防護(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)計方法，能夠有效的避免梯度界面處反射追趕稀疏波對彈丸(空間碎片)中沖擊波的影響，提高彈丸的破碎程度，所設(shè)計出的防護(hù)材料，具有優(yōu)異的防護(hù)性能。經(jīng)過實驗驗證，使用所設(shè)計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能，降低對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。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(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)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步說明：

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，能夠提升碎片中的沖擊波強度和能量，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，分別在界面透射和反射一個沖擊波和稀疏波。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間的同時反射稀疏波增加彈丸的破碎程度和擴(kuò)散速度。以此類推，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，對第一層材料的厚度進(jìn)行設(shè)計。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。

(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，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)粒子相對于移動參考系的速度)，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，立即反向反射一個稀疏波。來自靶中界面的追趕稀疏波追趕上彈丸中的沖擊波陣面時，彈丸中的沖擊波速度和強度立刻下降，降低沖擊波對彈丸的破碎能力，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動時間與稀疏波追趕彈丸中沖擊波的時間之和大于彈丸中沖擊波到達(dá)背表面的時間(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，以特定面密度為約束條件，即滿足式(7)，從厚度0.1mm開始，0.1mm為變化梯度，對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，對組份-厚度組合的所有材料開展超高速正撞擊數(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開展超高速撞擊數(shù)值仿真，獲得在3、4、5、6和7km/s速度點的撞擊極限(撞擊極限是在某速度點撞擊下結(jié)構(gòu)失效的臨界彈丸直徑)。采用最小二乘法對它們進(jìn)行擬合，獲得這些防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線。在某速度點，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，以此來評價其防護(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。防護(hù)材料不宜選用高分子聚合物等易氧化、熔點低的材料。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細(xì)描述和說明，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)明的精神對上述實施方式進(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明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。