[发明专利]一种多孔防热材料超高速冲击损伤分析方法

说明书

一种多孔防热材料超高速冲击损伤分析方法，属于可重复使用飞行器热防护领域。首先设置初始材料参数，基于离散元方法建立多孔防热材料模型，根据模拟的多孔材料的密度和材料组分计算给定尺寸计算域中各类颗粒微元的数量，在计算域中按随机位置、方向生成指定数量和参数的颗粒。将多孔材料骨架模型中的纤维颗粒微元或其它非规则颗粒微元替换为球形颗粒的组合，球形颗粒之间采用第一联结键联结，纤维颗粒微元之间烧结采用第二联结键模拟，生成多孔防热材料模型，开展空间碎片撞击多孔防热材料仿真计算，评估受空间碎片超高速撞击后的多孔防热材料力学性能退化规律。本发明所建立的模型精度高，计算稳定性好。

技术领域

本发明涉及一种多孔防热材料超高速冲击损伤分析方法，尤其是多孔防热材料在超高速空间碎片冲击作用下的损伤分析方法，属于可重复使用飞行器热防护领域。

背景技术

随着空间技术的发展，当前天地往返可重复使用运载技术已成为大国博弈竞争焦点。由于长时间处于高热流、高焓的极端环境，可重复使用航天器对热防护系统提出了长时间非烧蚀、高效隔热、高可靠性以及轻质化等一系列更高的要求。纵观国外航天技术的发展路线，不难发现热防护技术是其首先解决的技术难题之一。

热防护系统作为飞行器最外层的”屏障”，使机身和内部结构免受气动热和其它载荷的破坏，其可靠性已成为制约可重复使用运载技术发展的瓶颈。可重复使用飞行器在轨长期服役，除了在发射、返回过程中因意外坠物带来的冲击风险，其面临的更大威胁来自空间碎片。近年来，由于人类日益频繁的空间活动，空间碎片的数量快速增加。空间碎片对飞行器的撞击是不可避免的，这就要求防热材料需要具备一定的抗冲击性能，且在受到冲击后防热材料的损伤不会产生影响防热、承载能力。

以石英纤维复合刚性隔热瓦、多孔陶瓷等为代表的多孔防热材料具有耐高温、低密度的优点和良好的高温力学性能，使其在可重复使用飞行器热防护系统中具有广泛的应用。在长期在轨任务中，多孔防热材料裸露在飞行器表面，不可避免受到空间碎片的撞击。对多孔防热材料在空间碎片超高速冲击作用下的损伤和失效分析，需要建立多孔防热材料的多尺度本构模型，在此基础上形成冲击损伤力学性能预测方法，准确预示材料在超高速冲击下的非线性损伤过程，为多孔防热材料在可重复使用飞行器热防护的应用提供基础。

目前针对金属基冲击防护材料已有较为成熟的研究成果，但对于以非金属材料制备的多孔防热材料，其在超高速冲击下损伤的研究较少。且现有的有限元或无网格法(如光滑粒子流法)在处理该问题上仍存在一些缺陷。一方面是难以描述高孔隙率的非连续介质，只能依托宏观唯象的本构模型，可能真实情况存在较大差异。另一方面，在处理超高速冲击问题时，高应变率可能导致有限元网格畸变，而无网格法的计算稳定性依赖于核函数的选取。因此，需要建立一套适用于多孔防热材料超高速冲击的损伤分析方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有的选用传统设计思路的弊端，提供了一种多孔防热材料超高速冲击损伤分析方法，

本发明的技术解决方案是：

一种多孔防热材料超高速冲击损伤分析方法，包括：

设置初始材料参数，包括各组分材料的弹性模量、泊松比、密度；

多孔防热材料由颗粒微元构成，所述颗粒微元包括球形颗粒微元、短纤维颗粒微元或其它非规则颗粒微元，通过电镜扫描多孔防热材料获取颗粒微元参数，包括直径d、纤维长度l及粒径分布Ψ_d(d)、长度分布Ψ_l(l)；

根据模拟的多孔防热材料的密度和组分计算给定尺寸计算域中各类颗粒微元的数量，在计算域中按随机位置、方向生成所述数量和参数的颗粒微元，调整颗粒微元堆积形成的多孔材料骨架模型使其孔隙率与模拟的多孔防热材料一致；

将多孔材料骨架模型中的纤维颗粒微元或其它非规则颗粒微元替换为球形颗粒微元的组合，球形颗粒微元之间采用第一联结键联结，第一联结键的法向刚度、切向刚度和拉伸强度、剪切强度与各组分的材料力学性能一致；