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6061厚壁鋁管AUTODYN軟件進行了彈丸形狀對超高速正撞擊厚合金鋁靶成坑過程影響的數(shù)值模擬。給出了二維及三維模擬的結(jié)果。研究了在相同質(zhì)量和速度的條件下,不同形狀彈丸長徑比、微流星體及空間碎片的超高速撞擊嚴重威脅航天器的安全在軌運行,造成航天器損傷及發(fā)生災難性失效的事例已發(fā)生多起,有關防護微流星體和空間碎片超高速撞擊的研究得到了國內(nèi)外的高度重視彈坑深度,并基于1947年Whipple提出的Whipple防護,通過超高速撞擊實驗及數(shù)值模擬進行了大撞擊方向等對超高速撞擊厚合金鋁靶所產(chǎn)生彈坑的損傷特性尺寸和成坑形狀的影響,并與球形彈丸撞擊所產(chǎn)生的坑進行了比較。結(jié)果表明:彈丸的長徑比越大,彈丸的撞擊成坑深度越大;非球彈丸的形狀和撞擊方向不同,成坑的形狀和損傷的特征尺寸是不同的。

6061厚壁鋁管研究表明鋼彈/鎂靶碰撞副的成坑過程不同于鋁彈/鎂靶碰撞副。隨著撞擊速度的增加,鋼彈/鎂靶碰撞副形成的彈坑形貌經(jīng)歷了球冠形→半球形→圓柱形+半球形→半球形過渡,而鋁彈/鎂靶碰撞副在撞擊成坑過程中彈坑形貌由球冠形逐漸過渡到半球形。在彈道撞擊速度范圍內(nèi),彈坑深度是鋼彈/鎂靶碰撞副的主要侵徹形式,而彈坑體積是鋁彈/鎂靶碰撞副的主要侵徹形式。當撞擊速度達到超高速撞擊時,彈坑體積是鎂合金靶板的主要侵徹方式,與碰撞副的類型無關。高速撞擊的成坑過程明顯不同于準靜態(tài)壓縮成坑,撞擊成坑過程所消耗的彈丸動能始終大于準靜態(tài)壓縮成坑所做到的功,6061厚壁鋁管且隨著彈坑深度的增加,兩者的差距增大。撞擊成坑過程計算表明撞擊瞬間彈靶接觸界面形成的沖擊波壓力和溫升隨著撞擊速度的增加顯著增大,當撞擊速度達到5000 m/s,形成的沖擊波壓力超過材料強度2個數(shù)量級,沖擊波溫升超過材料的熔點,甚至沸點。撞擊成坑過程中撞擊方向上的材料承受了最嚴重的動態(tài)變形,45°撞擊方向的材料次之,垂直撞擊方向上的材料變形程度最輕。 彈坑周圍變形組織研究表明撞擊方向上變形組織分布區(qū)域最寬,45°撞擊方向上分布次之,垂直撞擊方向上變形組織分布最窄,形成了橢球狀組織分布。隨著撞擊速度的增加,彈坑周圍變形組織的分布區(qū)域均有展寬的現(xiàn)象。相近撞擊速度下,鋼彈/鎂靶碰撞副彈坑周圍變形組織的分布區(qū)域?qū)捰阡X彈/鎂靶碰撞副。彈道撞擊條件下,彈坑周圍的變形組織可劃分為三個區(qū)域:高密度孿晶區(qū)、中等密度孿晶區(qū)和低密度孿晶區(qū),而超高速撞擊條件下,彈坑周圍出現(xiàn)了細晶區(qū),其變形組織可劃分為四個區(qū)域:細晶區(qū)、細晶+高密度孿晶區(qū)、高密度孿晶區(qū)和低密度孿晶區(qū),其中低密度孿晶區(qū)貫穿整個30 mm厚的靶板。6061厚壁鋁管由于高速撞擊可在彈坑底部提供梯度性的應變、應變速率載荷變化,通過彈坑周圍不同區(qū)域變形組織的表征,揭示了彈坑附近細晶的形成過程,建立了彈坑附近細晶形成的物理模型。 絕熱剪切帶研究表明高速撞擊條件下絕熱剪切帶的形成需要一定的臨界撞擊速度,隨著撞擊速度的增加,彈坑附近材料經(jīng)歷了均勻塑性變形→應變局部化(形變帶)→白色侵蝕帶(轉(zhuǎn)變帶)→裂紋的演化過程,即形變帶和轉(zhuǎn)變帶是不同變形階段、變形程度的產(chǎn)物。