专利名称：一种碎片对航天器结构破坏效应的粒子评估方法
技术领域：
本发明涉及一种碎片对航天器结构破坏效应的粒子评估方法，属于航天技术领域。
背景技术：
随着人类在太空活动的日益增多，散布在太空中的大量空间碎片对航天器的结构安全构成很大的威胁。因此了解碎片对航天器的破坏作用并进行评估，将有助于航天器的优化设计。碎片对航天器的超高速碰撞问题是复杂的非线性动态响应过程，既有结构发生大位移时所产生的几何非线性，又有材料发生大变形时所表现出的物理非线性，还存在着复杂的运动非线性以及复杂的接触和摩擦问题等。现有的各种理论和实验研究方法都有各自不同的应用范围与条件。随着计算机技术的发展及数值方法的发展，可以采用数值手段将碎片对航天器的破坏的进行计算评估， 从而较全面地反应碰撞过程中航天器及碎片参数和物理量的变化，直观演示航天器的破坏过程。二维轴对称柱坐标系下，动能弹侵彻问题可用如下非守恒形式的方程组形式表示
权利要求
1.一种碎片对航天器结构破坏效应的粒子评估方法，该方法包括以下步骤步骤1 建立工程计算模型，确定模型的几何尺寸参数；步骤2 收集步骤1的计算模型中碎片及航天器材料的物理参数；步骤3 根据步骤1的计算模型，计算域的尺寸取为碰撞毁伤区宽度的4倍以上，并采用正交网格离散计算域，网格步长由碎片及航天器中的最小部件尺寸确定，网格步长最大为碎片及航天器中的最小部件尺寸的1/5，并在网格内加入PIC粒子；步骤4 获取步骤3所确定的各网格和PIC粒子影响碰撞毁伤效果的物理量；步骤5 连续输出步碰撞过程中变化的物理量，采用可视化技术，直观地得到碎片对航天器破坏效果图。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2中，所述物理参数包括碎片及航天器材料的初初始密度、状态方程参数、本构方程参数等。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤3中，网格步长为碎片及航天器中的最小部件尺寸的1/10-1/5。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在步骤4中，获取步骤3所确定的各网格和PIC粒子影响碰撞毁伤效果的物理量通过采用算子分裂法求解偏微分守恒方程组来实现，将质量、动量、能量守恒方程统一写成如下形式
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤4包括以下子步骤子步骤4. 1 求解方程(1 ，即Lagrange步，不考虑对流项《·▽》的影响，只考虑源项 H(压力和偏应力的梯度效应)的作用，得到网格中各物理量Φ的中间值；子步骤4. 2:在子步骤4.1更新网格和粒子的物理量后，考虑方程(14)中对流项的影响，即Euler输运步，通过计算物理量Φ在网格间的输运，对物理量Φ在网格上进行重新分配。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在子步骤4.1中，对方程(13)离散，时间采用向前差分，空间采用一阶中心差分计算，得到碰撞过程中网格和粒子的物理量如质量、动量、 能量、密度、速度的更新值。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，在子步骤4.2中，采用质点映射输运方法，对步骤3中的粒子进行精确计算，具体包括(1)采用以下公式(9)、(10)将网格物理量映射到质点；
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在质点映射输运方法中，记录质点移动之前网格边界line11在影响域中的位置，Iinen与line11+1共同划分了质点P的影响域，构成B1 B9。 针对每一个质点P，分析影响域BmOii= 1,2, ... ,9)与质点移动前的影响域An (n = 1,2,3, 4)的对应关系，再将影响域An所分配的物理量UAn按比例分配给影响域Bm，最后将影响域Bm 对应的物理量映射回网格。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法用于冲击碰撞问题的分析评估。
全文摘要
本发明涉及一种碎片对航天器破坏作用的计算评估方法，包括建立工程计算模型，确定模型的几何尺寸参数；收集步骤1的计算模型中碎片及航天器材料的物理参数；以航天器的大小作为计算域，并采用正交网格离散计算域，网格步长由碎片及航天器中的最小部件尺寸确定，并在网格内加入PIC粒子；获取步骤3所确定的各网格和PIC粒子影响碰撞毁伤效果的物理量；连续输出步碰撞过程中变化的物理量，采用可视化技术，直观地得到碎片对航天器破坏效果图。该方法保证侵彻计算过程中弹靶接触区域的计算精度，减少计算量，不仅适用于碎片对航天器结构破坏的评估，还适用于冲击碰撞问题的分析评估。
文档编号G06F19/00GK102495960SQ201110397989
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者任会兰, 宁建国, 宋卫东, 王成, 马天宝 申请人:北京理工大学