压力容器在高速冲击载荷作用下动态力学行为特性研究

Spacecraft often employ pressure vessels to contain gases and liquids. A pressure vessel subjected to hypervelocity impact by meteoroids and space debris can represent a significant hazard to a space vehicle because of the energy stored within the vessel. Catastrophic rupture of the vessel can send high-velocity fragments in all directions and secondary debrisary damage becomes a serious threat to the spacecraft. Based on the background mentioned above, this paper investigates the damage process of pressure vessel under hypervelocity impact. The impact condition limits to fragmentation and melt of materials. The gas-secondary debris interaction process and propagation process of shock wave are investigated, and the prediction model for damage and failure of pressure vessels under hypervelocity impact is built.The damage characteristic of pressure vessel by space debris and prediction of catastrophic failure are the important basic of shield structure design and risk evaluation of spacecraft in space debris environment.

航天器上的各种压力容器是航天器用来储存液体或含能高压气体的部件，在空间碎片超高速撞击下，可能导致其发生泄漏，甚至发生爆炸等灾难性破坏，使航天器任务提前终止或失效。本课题以航天器上常用的铝合金薄壁压力容器为对象，以提高其抵御空间碎片超高速撞击能力为工程应用背景，以球形铝制弹丸模拟空间碎片，采用理论分析、实验研究、数值模拟相结合的技术手段，对超高速冲击载荷作用下容器壁内的应力波传播规律、气体冲击波在容器内的传播规律及以二次碎片的运动特性开展研究，进而在综合考虑气体介质压力、二次碎片、气体冲击波及应力波的协同作用基础上，分析压力容器前、后壁的动态破损过程，建立超高速撞击载荷作用下压力容器的动态力学行为特性模型，为充气压力容器类部件的防护设计提供技术基础。

航天器上的各种压力容器是航天器用来储存液体或含能高压气体的部件，在空间碎片超高速撞击下，可能导致其发生泄漏，甚至发生爆炸等灾难性破坏，使航天器任务提前终止或失效。本项目以航天器上的圆柱形充气压力容器为研究对象，以球形铝制弹丸模拟空间碎片，采用数值模拟、理论分析和地面实验相结合的技术手段，对空间碎片超高速撞击充气压力容器的动态力学行为开展系统研究，建立了压力容器前、后壁的动态力学行为特性模型，并与实验结果进行了对比。项目的主要研究内容及结果如下。.1. 综合考虑二次碎片减速及烧蚀作用，应用气固两相流理论，对不同弹丸破碎模式下二次碎片与气体介质的相互作用过程进行了分析，建立了二次碎片与气体介质的相互作用模型，获得了压力容器内二次碎片的运动特性及气体冲击波的传播规律。.2. 基于自模拟运动假设，应用一维冲击波理论，并结合数值模拟方法，对碎片云未能到达容器后壁时，气体冲击波在容器内的传播过程进行了分析，建立了气体冲击波在容器内的传播模型，获得了气体冲击波的传播规律。结果表明：在撞击速度一定时，冲击波强度随着内充气体压力及弹丸直径的增加而增加；当撞击速度为7.0 km/s，弹丸直径小于等于3.0 mm时，容器前壁的破损只受初充气体压力的控制。.3. 应用二级轻气炮，采用PVDF贴片进行超高速撞击实验对容器壁内的应力波传播过程进行了研究，获得了一些应力波的传播规律。实验结果表明：应力波强度随着撞击速度的增加而增加；应力波强度随着气体压力的增加而减小。.4. 采用数值模拟和地面实验相结合的技术手段，对压力容器前壁穿孔特性进行了研究，确定了压力容器前壁穿孔尺寸与气体介质压力和撞击条件的关系，研究结果表明：在本项目的研究范围内，在对压力容器前壁动态力学行为进行研究时，可以忽略气体压力、容器曲率的影响。然后，根据压力容器前壁穿孔的形态特征，将其简化为含双裂纹的圆孔，建立了压力容器前壁穿孔的简化模型；基于断裂力学的K准则，对压力容器前壁的断裂行为进行了分析，建立了压力容器前壁动态力学行为模型，并通过与实验结果的比较，验证了模型的有效性。.5. 基于线弹性断裂力学、弹性力学理论，在弹丸不同破碎模式下，将碎片云及气体冲击波对容器后壁的作用简化为局部均布冲击载荷对固支圆板的作用，建立了容器后壁动态力学行为模型，并通过与实验结果的比较，验证了模型的有效性。确定了容器后壁产生穿孔和裂纹