更全的杂志信息网

基于动能耗散的双层铝板结构的高速撞击防护性能

更新时间:2016-07-05

随着人类对空间的探索活动日益增多,源于人类太空发射产生的空间碎片对在轨航天器的高速撞击成为影响航天器在轨安全运行的主要因素之一[1,2]。空间碎片撞击航天器所造成的结构损伤与功能失效问题,引起了航天器设计者的广泛关注[3,4]。同时,针对毫米级空间碎片的高速撞击发展了多种高性能防护方案[5,6]。常用防护结构的高速撞击防护性能,采用撞击极限曲线和撞击极限方程进行评价[7,8],即进行大量撞击实验以得到给定材料和结构参数的防护结构发生失效时的临界撞击速度或临界弹丸直径。使用这种评价方法必须进行大量的实验,成本太高。目前,空间碎片防护结构的优化设计与高速撞击防护性能的工程评价,正在成为载人航天器总体设计中亟待解决的问题。为了满足航天器空间碎片防护方案设计对防护结构高速撞击防护性能的评估需求,本文在高速撞击能量吸收假设基础上,针对撞击速度小于7 km/s的情况,根据弹丸撞击铝板过程中的能量损耗特性分析薄铝板对弹丸撞击动能的吸收规律,并以铝板的撞击能量传递特性为依据,评价双层铝板结构受到铝球弹丸高速撞击时的防护性能。

1 单层铝板撞击失效动能

弹丸撞击动能一定时,靶板发生穿孔失效时的临界厚度可用于评价靶板材料的高速撞击防护性能。针对铝球弹丸高速正撞击铝靶板,Cour-Palais[9]给出了靶板刚好发生撞击穿孔时的靶板临界厚度与靶板、弹丸材料参数及撞击动能的关系式

护士的社会地位较低,长期以来人们都认为护士只是医生的助手,医护之间巨大的福利差异,令不少护士感到执业前景黯淡,自身价值得不到认可,特别是患者及其家属只尊重医生,甚至对护士辱骂责备的做法,往往造成护士悲观失望的心理。据调查,51%的护士想要改行。

式中tc为靶板在一定撞击条件下发生穿孔失效时的临界厚度,dp为弹丸直径,ρp为弹丸密度,ρt为靶板密度,C为靶板材料声速,BHN为靶板布氏硬度,Eb为靶板发生穿孔失效时的临界撞击动能。

总结出公式(1)的大量高速撞击实验结果,实验的最高撞击速度为7 km/s。由(1)式可以看出,弹丸直径对靶板发生穿孔失效时的临界厚度影响较小,且当靶板与弹丸材料不变时一定厚度的靶板刚好发生穿孔失效时的临界撞击动能Eb近似为常数。

弹丸击穿前板发生破碎的撞击速度为破碎段撞击速度,铝球弹丸的破碎段撞击速度范围为3~7 km/s。在破碎段撞击速度范围内,撞击后板的动能主要来自弹丸破碎形成的最大次生碎片和次生小碎片群,因此后板的撞击穿孔失效是由最大次生碎片和小碎片群共同作用的结果。同时,随着弹丸撞击破碎程度的不同,在撞击后板的剩余动能中最大次生碎片和次生小碎片群撞击动能所占比例将会发生变化。由于影响最大次生碎片尺寸的主要因素为弹丸初始撞击速度及弹丸破碎临界撞击速度,文献[11]给出了弹丸高速击穿前板后最大次生碎片直径与弹丸直径、撞击速度、弹丸破碎临界撞击速度的关系:

程序切片技术[5]是一种通过对程序进行分解,只保留与待分析特性相关的程序片段来对程序进行分析的技术。由Mark Weiser在80年代提出,最初程序切片技术主要被用于程序的调试工作[6]。Susan Horwitz等人在文章[7]对程序切片技术的定义为:“对程序的切片得到的程序,一般是由程序中的部分语句和部分判定表达式组成的”。其中的部分语句和表达式是指那些对程序上的某个点p所使用的变量v产生影响的语句和表达式。其中将(p,v)定义为程序的切片准则。

犁走过的地方,泥土像波浪一样分开。我拎着篮子,跟在后面点豆子。我用豆扒子刨一个小坑,抓几颗豆子,弯腰把豆子丢进去。我问,撒几颗?别呦呦说,四五颗吧,六颗也行。我问,隔多远点一次?别呦呦说,五六寸。

2 双层铝板结构撞击失效动能

在航天器的双层板防护结构中前板通常是厚度不超过1 mm的薄铝板,当撞击速度较低时击穿前板的弹丸仍以较完整状态撞击后板,只是撞击速度有所降低。当撞击速度较高时击穿前板的弹丸发生破碎,次生小碎片群发生横向扩散,以碎片云团的形式撞击后板,此时作用在后板上的撞击动能趋于分散。铝球弹丸撞击铝板发生破碎的临界撞击速度,约为3 km/s。

铝球弹丸正撞击击穿前板后,假设前板分离出的碎片与穿过前板的弹丸碎片具有相同的速度[10]且忽略弹丸的质量损失,则弹丸击穿前板前后的能量满足

萧先生:你真能要我做你底弟弟么?你不以我为愚么?唉,我何等幸福,有象你这样的一个哥哥!唉,你为什么不是我底一个亲哥哥?九泉之下的爸爸哟,你为什么不养一个这样的哥哥给我?我怎么这样不幸……但,但,不是一样么?你不好算我底亲哥哥么?我昏了,萧先生,你就是我惟一的亲爱的哥哥。

式中M为弹丸质量,m为分离出的前板碎片质量,ν0为弹丸撞击速度,νr为次生碎片剩余速度,Up为穿孔过程消耗的能量。

其次,在小额诉讼与简易程序的关系上,“如果说简易程序是属概念,则小额诉讼是从属于简易程序的种概念,二者是包含与被包含的关系。”[12]小额诉讼与简易程序的关系可以用“俄罗斯套娃”来类比(赵刚教授语)。既然小额诉讼没有独立的程序,它仅仅是适用简易程序审理简单民事案件时的一种特殊情形,那么从逻辑上而言,小额诉讼的制度设计不应当背离简易程序应当遵循的原则和制度,简易程序实行两审终审,作为一种制度,小额诉讼也应当实行两审终审,立法规定小额诉讼实行一审终审显然背离了简易程序的制度逻辑,构成对上位程序基本原则和制度的违反,具有合法性危机。

当弹丸击穿前板发生破碎时,假设每个次生碎片拥有相同的剩余速度,在剩余动能中次生碎片动能按照质量的大小等比例分配,因此最大次生碎片动能E1与剩余动能Er之比为质量之比,即

由于撞击过程经历的时间极短,可以假设在此期间动量守恒,即Mν0=(M+m)νr。假设撞击造成的前板分离质量m为与弹丸直径相同的圆形铝板质量,即m=πdp2tbρb/4,则撞击后板的次生碎片剩余速度为

式中dp为弹丸直径,ρp为弹丸密度,ρb为前板密度,tb为前板厚度。

由(3)式可知,弹丸剩余速度与初始撞击速度之间存在一定的比例关系,该比例因子的大小与弹丸直径、弹丸密度、铝板密度以及铝板厚度等参数有关。该公式表明,弹丸击穿薄铝板后的剩余速度表现为比例耗散的特性。图1给出了不同直径的铝球弹丸击穿厚度为1 mm的薄铝板时弹丸剩余速度νr随初始撞击速度ν0的变化情况。可以看出,弹丸剩余速度随初始撞击速度的增加呈比例增大,且在相同撞击速度下弹丸直径越大,剩余速度越大。

在对布鲁氏菌病的预防中,要定期对羊等动物进行定期检疫,羔羊每年断乳后进行一次布氏杆菌病检疫,成羊两年检疫一次或每年预防接种。对检出的阳性羊要捕杀处理,不能留养或给予治疗。

本文使用(3)式对文献[11]实验条件下弹丸击穿前板后的剩余速度进行了预测计算,并与实验结果进行了比较,结果列于表1。表1中的νr1为剩余速度的实验值,νr2为剩余速度的计算值,δr为剩余速度的计算值与实验值的相对误差。在与表1中的数据相关的实验中,使用钢球弹丸高速正撞击铝靶板。结果表明,本文公式计算得到的剩余速度与实验结果误差均未超过3.3%。

2.1 弹道段双层铝板结构的撞击失效动能

弹丸击穿前板未发生破碎的撞击速度为弹道段撞击速度,铝球弹丸的弹道段撞击速度小于3 km/s。在弹道段撞击速度范围内,若忽略前板分离碎片对后板的撞击,则造成后板撞击穿孔失效的动能仍来自弹丸,因此撞击后板的动能为

式中E0为弹丸初始撞击动能。

根据后板穿孔失效的临界撞击动能,当Er<Eb时后板损伤表现为成坑。当Er>Eb时,后板损伤表现为穿孔。当Er=Eb时,后板处于临界穿孔失效状态。由(4)式可得,使后板发生穿孔失效的临界撞击动能Eb

式中νc为后板发生穿孔失效时的撞击极限速度。于是,在弹丸击穿前板后未发生破碎的情况下双层铝板结构的撞击极限速度为

图1 剩余速度与撞击速度的关系 Fig.1 Relationship betweenνrandν0

于是,由(4)式可得最大次生碎片动能E1

图2给出了在弹道段撞击速度区间,后板发生临界穿孔的撞击速度随弹丸直径的变化规律。可以看出,对于本文选用的双层铝板结构,随着弹丸直径的增大,使后板发生临界穿孔的撞击速度减小。这个结果表明,在弹道段撞击速度区间,随着弹丸撞击动能的增加弹丸对双层铝板结构后板的破坏能力增强。

表1 剩余速度计算值与实验结果[11]比较 Table 1 Comparison between the calculated results and the experimental results of the residual velocity

dp tb ν0νr1νr2δr/mm 6.35 6.35 6.35 6.35 9.53/mm 1.27 1.27 1.27 1.27 1.27/km·s-1 0.84 2.61 0.85 2.62 2.39/km·s-1 0.77 2.44 0.77 2.45 2.31/km·s-1 0.76 2.36 0.77 2.37 2.24/%-1.30-3.28 0-3.27-3.03

表2 撞击极限速度计算值与实验结果比较 Table 2 Comparison between the calculated results and the experimental results of the ballistics limit velocity

dp νc1νc2δc/mm 3.18 3.97 4.76/km·s-1 2.31 1.59 1.22/km·s-1 2.39 1.61 1.19/%3.46 1.26-2.46

图2 弹道段撞击速度区间的弹丸直径与撞击极限速度的关系 Fig.2 Relationship betweenνcanddpin the range of ballistic impact velocity

2.2 破碎段双层铝板结构撞击失效动能

本文对厚度为3 mm的5A06铝板在铝球弹丸高速正撞击下发生穿孔失效时的临界撞击动能进行了实验测定,采用的弹丸加速设备是二级轻气炮。一级使用氮气驱动活塞,二级使用氢气驱动弹丸和弹托,利用气动阻力实现弹丸与弹托的分离。弹丸速度采用激光光束遮挡法测量,精度高于2%,撞击时靶舱内抽真空,靶舱内压力小于200 Pa。撞击实验使用的弹丸是直径为3.18 mm的2017铝球,高速撞击后使厚度为3 mm的5A06铝板发生穿孔失效的临界撞击速度为1.61 km/s。由动能公式计算出,使该铝板发生穿孔失效的临界撞击动能Eb为62.47 J。

式中d1为最大次生碎片直径,νs为弹丸破碎临界撞击速度。

假设Up来源于剪应力形成穿孔所做的功[10]。由于本文实验条件下的弹丸撞击速度均在1 km/s以上,当铝的屈服强度为500 MPa、前板厚度tb为1 mm、穿孔直径dh为毫米级时,则在该过程中做功消耗能量所占比例不到初始撞击动能的百分之一。因此,对弹丸动能的消耗影响较小。

在弹道段撞击速度范围内本文针对双层铝板结构进行了撞击实验,双层铝板结构的前板是厚度为1 mm的2A12铝板,后板是厚度为3 mm的5A06铝板,前后板间距为100 mm。实验得到了铝球弹丸直径分别为3.18 mm、3.97 mm和4.76 mm时后板发生临界穿孔失效的撞击极限速度,并与利用(6)式计算得到的撞击极限速度进行了比较,如表2所示。表2中νc1为撞击极限速度的实验值,νc2为撞击极限速度的计算值,δc为撞击极限速度的计算值与实验值的相对误差。结果表明,在弹道段撞击速度范围内,本文公式预测的撞击极限速度与实验结果误差均未超过3.5%。

若忽略小碎片群对后板穿孔失效的撞击作用,则由后板穿孔失效的临界撞击动能可知,当E1=Eb时后板处于临界穿孔失效状态。因此,在弹丸击穿前板发生破碎的情况下双层铝板结构的撞击极限速度为

当考虑小碎片群对后板穿孔失效的撞击作用时,假设小碎片群的动能在后板中心撞击密集区域按作用面积分配,且对后板穿孔失效起作用的小碎片群动能所占作用面积应等于最大次生碎片撞击后板所形成的中心弹坑外廓面积,则对后板撞击穿孔失效起作用的小碎片群有效动能为

(5)非专职资料员使用的计算机,数据导出端口应全部封闭,只有专职资料员使用的计算机有数据导出功能,全网计算机数据由“一个口子”导出。

式中Ed为小碎片群具有的总动能,Aρ为最大次生碎片撞击后板产生的中心弹坑最大横截面积,Acc为后板中心撞击密集区面积。

为了计算方便,Aρ取最大次生碎片的最大横截面积,即

根据文献[12]给出的后板中心弹坑密集区直径可确定Acc,即

式中S为前后板间距,c为靶板材料声速。

假设弹丸在击穿前板破碎过程中的穿透能力下降主要由能量分散引起,同时忽略弹丸自身破碎所需要的能量,则小碎片群动能Ed为弹丸击穿前板破碎后的总剩余动能Er与最大次生碎片动能E1之差,即

本文选择以上两家案例地基于以下原因:(1)珠三角地区乡村旅游发展具有代表性;(2)两个案例地处于发展的不同阶段,增城万家旅舍相对成熟,顺德逢简水乡尚不完善,两者相互补充,有利于梳理乡村旅游发展过程中的问题与结构性变化;(3)调研具有可进入性。

党早就在十九大就提出“必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念”! 目前,我国家的基础建设依然发展迅猛,特别是国家倡导的“一带一路”战略的全面推进,混凝土用砂量大幅度增加,可用的天然河砂越来越少,为了保护环境,多数地方政府限制甚至禁止天然河砂的采挖,机械制砂是解决混凝土用砂的唯一出路。然而,许多砂石生产企业,虽然地处荒山野岭,对环境的污染巨大,愈来愈达不到对环保的日益高要求,不是被关闭,就是被要求无限期停产整改,既威胁到砂石生产企业的生存,也威胁基础工程的如期完工。

于是,小碎片群有效动能Ee

由(15)式可见,前后板间距S越大则小碎片群的有效动能越小。当前后板间距、前板厚度、声速以及材料密度均为已知量时,则该式反映了小碎片群的有效动能随撞击速度和弹丸直径的变化规律。

当考虑最大次生碎片动能和小碎片群有效动能对后板撞击穿孔失效同时起作用时,则撞击后板的总有效动能Eh=E1+Ee,由靶板撞击穿孔失效的动能判别条件Eh=Eb,可得在弹丸击穿前板发生破碎的情况下双层铝板结构的后板发生穿孔失效时撞击后板的临界动能Eb

在破碎段撞击速度范围内,本文分别使用直径为3.18 mm、3.97 mm和4.76 mm的铝球弹丸对双层铝板结构进行高速正撞击实验,该双层铝板结构的前板是厚度为1 mm的2A12铝板,后板是厚度为3 mm的5A06铝板,前后板间距为100 mm。在弹丸击穿前板发生破碎的情况下得到了后板发生穿孔失效时的撞击极限速度,并根据实验得到的撞击极限速度,使用(16)式计算出该双层铝板结构的后板发生穿孔失效时撞击后板的临界动能,结果列于表3。表3中Eb1为利用(16)式计算得到的撞击后板的临界动能,δb1为Eb1与实验值的相对误差。

可以看出,由(16)式计算出的后板穿孔失效时撞击后板的临界动能均比使厚度为3 mm的5A06铝板撞击穿孔失效所需要的实际撞击动能小45%左右,说明本文采用的弹丸撞击破碎过程中的能量耗散简化分析以及对已有经验公式的引用使计算结果产生了一定的系统误差。考虑到弹丸击穿前板后产生的最大次生碎片在撞击后板时的主导作用,本文将(7)式中的系数0.814修改为1,则(16)式变为

可以看出,存在“学校管理层不重视数据利用;未形成制度,决算数据利用率不高;认为未形成横向对比数据库,数据很难进行定性、定量分析”等三个方面的差距,表明区外高校在对决算报表利用方面做了很多改良,信息化已把财务人员从手工计算分析数据转为运用EViews等专业统计软件来分析趋向。

使用(17)式计算出的后板穿孔失效时撞击后板的临界动能,结果也列于表3。表3中Eb2为利用(17)式计算得到的撞击后板的临界动能,δb2为Eb2与实验值的相对误差。此时,预测误差减小为不超过4%。这个结果表明,最大次生碎片尺寸是导致后板撞击穿孔失效的主要因素。

图3给出了在破碎段撞击速度区间,撞击后板的有效动能Eh随弹丸撞击速度ν0的变化规律。可以看出,随着撞击速度的增大撞击后板的有效动能逐渐减小,且在相同撞击速度情况下弹丸直径越大,撞击后板的有效动能越大。

图4给出了在撞击后板的有效动能中,次生小碎片群动能所占比例随撞击速度的变化规律。可以看出,随着撞击速度的增大次生小碎片群动能所占比例开始急剧增加,当达到某一极限值后开始缓慢减小。同时,在相同撞击速度情况下,弹丸直径越大次生小碎片群动能所占比例越大。

功能性消化不良指的是存在一种或多种来源于胃和十二指肠区域的消化不良症状,也不具有能够解释之这一症状的代谢性或器质性疾病,其临床特点表现为易反复、病程长,与胃功能紊乱、社会、心理、环境等因素之间存在一定的相关性[1]。本文主要是针对我院收治的功能性消化不良患者,采取针刺穴位治疗,发现效果良好,现报道如下。

上述规律表明,在破碎段撞击速度区间,随着撞击速度的增大弹丸破碎加剧,撞击后板的有效动能减小,次生碎片对后板的破坏能力减弱。当撞击后板的有效动能小于使后板发生穿孔时的临界撞击动能时,后板不再发生失效。与尺寸较小的弹丸相比,大尺寸弹丸需要达到更高的撞击速度才能充分破碎并使次生小碎片动能进一步分散,因此,在相同撞击速度下,大尺寸弹丸撞击后板的有效动能均大于小尺寸弹丸撞击后板的有效动能。在弹丸破碎的初始阶段,由于次生小碎片质量相对较大,且多数集中在后板撞击中心附近,因此次生小碎片动能在撞击后板的有效动能中所占比例增加速度较快。随着撞击速度的进一步提高,次生小碎片群的横向扩散更加充分,集中于撞击中心的次生小碎片所占的比例逐渐减小。

图3 破碎段撞击速度区间的撞击后板有效动能与撞击速度的关系 Fig.3 Relationship betweenEhandν0in the shatter range

表3 撞击后板的临界动能预测值 Table 3 Calculated results of the limit impact kinetic energy

dp/mm 3.18 3.97 4.76 νc/km·s-1 3.50 4.68 5.75 Eb1/J 35.14 33.94 34.50 δb1/%-43.75-45.67-44.77 Eb2/J 64.85 61.69 62.68 δb2/%3.81-1.25 0.34

图4 破碎段撞击速度区间的小碎片群动能在撞击后板有效动能中所占比例与撞击速度的关系 Fig.4 Relationship betweenEe/Ehandv0in the shatter range

3 结论

(1)当铝球弹丸以1~7 km/s的速度正撞击一定厚度的单层铝板时,铝板发生穿孔失效的临界撞击动能近似为常数。

甲状旁腺正确辨认后其血供的保护是至关重要的。目前研究表明甲状腺全切术后暂时性甲状旁腺功能减退可能与甲状旁腺的血供障碍有关,因此推荐精细被膜解剖法。需要警惕的是,部分保留血供的甲状旁腺仍可因静脉回流障碍造成其淤血、坏死。对表面血管扩张、淤血明显者,需予以切除行I期自体移植。朱精强[10]强调对于A3型(完全位于甲状腺组织内)甲状旁腺及严重缺血、游离的甲状旁腺,自体移植是最后的弥补方法。

(2)当铝球弹丸以1~7 km/s的速度正撞击双层铝板结构时,弹丸击穿前板后的剩余动能表现为弹丸初始撞击动能的比例耗散。

(3)在破碎段撞击速度区间,使同一双层铝板结构后板发生穿孔失效的铝球弹丸直径越大,则在弹丸击穿前板后的撞击后板有效动能中次生小碎片动能所占的比例越大。

参考文献

[1]Zhu Y L.Current space debris environment[J].Chin.Space Sci.Technol.,1996,(6):19(朱毅麟.空间碎片环境近况[J].中国空间科学技术,1996,(6):19)

[2]Klinkrad H.Collision risk analysis for low Earth orbits[J].Adv.Space Res.,1993,13:177

[3]Guan G S,Li H J,Liu J H,et al.Investigation into damage of woven stuffed shield impacted by high-velocity nonmetallic projectile[J].Chin.J.Mater.Res.,2016,30:329(管公顺,李航杰,刘家赫等.非金属弹丸高速撞击编织物填充式结构的损伤[J].材料研究学报,2016,30:329)

[4]Miller J E,Bohl W E,Christiansen E L,et al.Ballistic performance of porous-ceramic,thermal protection systems[J].Int.J.Impact Eng.,2013,56:40

[5]Christiansen E L,Crews J I,Williamsen J E,et al.Enhanced meteoroidandorbitaldebrisshielding[J].Int.J.ImpactEng.,1995,17:217

[6]Piekutowski A J,Poormon K L,Christiansen E L,et al.Performance of Whipple shields at impact velocities above 9km/s[J].Int.J.Impact Eng.,2011,38:495

[7]Christiansen E L,Kerr J H.Ballistic limit equations for spacecraft shielding[J].Int.J.Impact Eng.,2001,26:93

[8]Ha Y,Guan G S,Chi R Q,et al.Investigation of residual velocity of aluminum projectiles at hypervelocity impact on woven of basalt fiber[J].Chin.J.High Press.Phys.,2012,26:273(哈 跃,管公顺,迟润强等.铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布剩余速度分析[J].高压物理学报,2012,26:273)

[9]Cour-Palais B G.Hypervelocity impact in metals,glass and composites[J].Int.J.Impact Eng.,1987,5:221

[10]Ding L,Li C,Pang B J,et al.Ballistic limit equations in ballistic and shatter regions[J].Int.J.Impact Eng.,2008,35:1490

[11]Ding L.Study of ballistic limit of dual-wall shielding structures against space debris[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2008.(丁 莉.空间碎片双层板防护结构撞击极限研究[D].哈尔滨,哈尔滨工业大学,2008)

[12]Guan G S,Pang B J,Zhang W,et al.Crater distribution on the rear wall of AL-Whipple shield by hypervelocity impacts of AL-spheres[J].Int.J.Impact Eng.,2008,35:1541

管公顺,戴训洋,管贺诗
《材料研究学报》 2018年第4期
《材料研究学报》2018年第4期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号