太空太陽能電池陣超高速碰撞毀傷特性的數值研究

相升海,張 爽,唐恩凌,王 猛,袁健飛,張立佼,徐名揚

(沈陽理工大學裝備工程學院,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值研究

相升海,張 爽,唐恩凌,王 猛,袁健飛,張立佼,徐名揚

(沈陽理工大學裝備工程學院,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的速度范圍內進行了太空太陽能電池陣超高速碰撞毀傷特性的數值研究與實驗驗證。得到了不同時刻的應力云圖及碰撞速度與穿孔尺寸的關系曲線。研究表明:碰撞位置產生橢圓形穿孔,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;玻璃蓋片出現放射性裂紋。數值模擬與實驗結果基本吻合。

超高速碰撞;太空太陽能電池陣;應力云圖;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,如果與航天器發生碰撞,將會使航天器受到嚴重毀傷。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的研究,2010年李宏偉利用等離子體驅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驗[1-3]。

文中利用ANSYS軟件對太空太陽能電池陣超高速撞擊進行了數值模擬,并且運用二級輕氣炮實驗進行了驗證,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生的功能影響奠定基礎。

1 計算模型的建立

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)膠合而成的三層復合結構。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。空間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。基于上述幾何尺寸建立數值計算模型,碰撞時將電池陣進行約束,碰撞角度為30°。用六面體單元進行離散化,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域的最大單元邊長為0.2 mm,其它區域的最大單元邊長為1 mm。當碰撞點在幾何中心位置處,模型共劃分為961 884個單元,1 096 267個節點;當碰撞點在B1與B2(B3與B4)交界面的中點位置處模型共劃分為601 784個單元,709 856個節點。參見圖1。

圖1 太空太陽能電池陣的實物照片、數值模擬圖以及網格化分的局部放大圖

1.2 模型的本構方程及材料參數的選擇

玻璃蓋片屬于脆性材料,采用JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS本構模型。等效應力表示為:

(1)

(2)

D為累計損傷值:

(3)

當材料從塑性變形到斷裂的過程中,應變可表示為:

εp,f=d1(p*+t*)d2

(4)

當材料被破壞時,所受到的應力為:

(5)

表1 玻璃蓋片的主要參數[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度。

硫化硅橡膠為粘彈性材料,采用Viscoelastic模型。本構方程為:

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。硅膠的材料參數如表2所示。

表2 硫化硅橡膠的參數[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,彈丸與靶板接觸區域發生了劇烈的塑性變形和局部穿孔破壞,所以在數值計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變率下的破壞現象。基于Johnson-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[6]

2 計算結果與分析

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值模擬圖

由圖2(b)可以看出:碰撞后產生的穿孔形狀為橢圓形,碰撞后玻璃蓋片呈裂紋狀破碎,4塊玻璃蓋片均出現裂紋,由于是斜向下碰撞,下面2塊玻璃蓋片毀壞較嚴重,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2個玻璃蓋片交界的中心位置處碰撞前后的數值模擬圖(彈丸向下斜碰撞)。

圖3 碰撞太空太陽能電池陣左側2玻璃蓋片交界面中心位置處碰撞前后的數值模擬

由圖3(b)可以看出:碰撞產生的穿孔形狀亦為橢圓形,碰撞后玻璃蓋片呈裂紋狀破碎,只有碰撞點附近的2個單元的玻璃蓋片出現裂紋,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力及其應力云圖。

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

圖4 不同時刻玻璃蓋片的等效應力及其應力云圖

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力及其應力云圖。

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

圖6為彈丸碰撞電池陣4單元中心位置處產生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關系曲線。由圖6可明顯看出:碰撞產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2個單元交界面中心位置處產生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關系曲線。

圖5 不同時刻玻璃蓋片的等效應力及其應力云圖

圖6 碰撞產生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關系

圖7表明碰撞產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。產生這種現象是因為碰撞速度很高,產生了應力集中的現象;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,在很短的時間內彈丸要釋放很大的能量,所以產生的穿孔會隨速度的增大而增大;后來穿孔又變小是因為速度逐漸變大,當彈丸能量膨脹釋放時彈丸早已穿透電池陣。

圖7 碰撞產生的穿孔尺寸與碰撞速度的變化關系

3 實驗驗證

實驗是在二級輕氣炮上完成的。速度測量采用磁感應測速法。

實驗時采用航天器上使用的真實太陽能電池陣,彈丸為直徑4.6 mm的實心2A12鋁球,文中選取了入射角度為30°角的2組典型實驗數據。表4為實驗基本碰撞參數。

表4 實驗基本參數

圖8為超高速碰撞電池陣不同位置處的毀傷形貌實驗照片。

圖8 不同碰撞位置處太空太陽能電池陣的毀傷形貌實驗照片

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,比數值模擬結果分別偏大7.9%和7.7%。

圖8(b)表明:實驗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,穿孔亦呈現橢圓形,長軸和短軸的尺寸分別為10.8 mm和8.6 mm,比數值模擬結果分別偏大7.9%和3.5%。產生這種差異是因為數值模擬時采用了均質各向同性材料,但穿孔形狀基本相似,幾何尺寸基本相近,所以數值模擬結果是合理可信的。

4 結論

1)碰撞位置產生橢圓形穿孔。碰撞在中心位置處,產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)玻璃蓋片上出現發射性裂紋。

3)數值模擬結果與實驗結果基本一致。

[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]. 科學通報, 2010, 55(26): 2576-2681.

[4] 張志友. 脆性材料的缺口敏感性數值模擬研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 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響應的數值模擬 [D]. 綿陽: 西南科技大學, 2010: 42-44.

[6] 張偉, 魏剛. 2A12鋁合金本構關系和失效模型 [J]. 兵工學報, 2013, 34(3): 276-281.

收稿日期:2015-08-28

基金項目:中國博士后科學基金(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

國家自然科學基金(11272218;11472178);遼寧省“百千萬人才工程”培養經費資助項目;遼寧省高校優秀人才支持計劃(LR2013008);遼寧省兵器科學與技術重點實驗室開放基金資助。

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

O383;O531

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