题目：航天器防护结构超高速撞击弹道极限方程综合建模方法研究

航天器防护结构超高速撞击弹道极限方程是航天器防护结构防护效能评估和超高速撞击安全性分析的主要工具，同时也是进行航天器防护结构优化设计的依据。本文以典型航天器防护结构为研究对象，通过对单层板、双层板和Nextel/Kevlar填充式防护结构超高速撞击特性的深入研究，以确定航天器防护结构弹道极限方程综合建模方法的关键技术和工程实施流程，并采用综合建模方法建立具有较高精度的典型航天器防护结构弹道极限方程。超高速撞击过程具有复杂的动力学行为，单纯理论或试验方法均难以建立起具有较高精度和普遍适用性的弹道极限方程，总结理论分析、数值仿真和试验研究方法各自的优点进行弹道极限方程综合建模是获得通用、高效、高精度弹道极限方程的重要方法。本文通过对理论分析、数值仿真和试验研究方法的深入研究，确定了的弹道极限方程综合建模方法的一般流程：首先应用理论分析方法建立弹道极限方程一般形式，采用DOE确定旨在获取弹道极限方程的数值仿真方案，基于数值仿真研究结果和少量的试验研究结果确定弹道极限方程一般形式中的待定指数和系数，最终建立航天器防护结构超高速撞击条件下完整的弹道极限方程。论文以单层板结构为研究对象，阐述了空间碎片超高速撞击弹道极限方程的综合建模方法，经国内外单层板超高速撞击试验结果的验证，说明综合建模方法是获得高精度弹道极限方程的有效方法。采用仿真方法获取弹道极限点是综合建模方法中确定方程待定指数和系数的重要手段，本文通过对双层板结构超高速撞击特性的分析，给出了适用于双层板超高速撞击仿真的材料模型和参数，确定了仿真研究中粒子间距和失效参数的取值，获得了具有较高精度的双层板超高速撞击数值仿真技术。计算给出了双层板在特征速度的弹道极限和碎片云分布，进一步验证了仿真结果与试验的一致性。采用综合建模方法建立了双层板结构超高速撞击弹道极限方程。在此基础上提出了基于试验数据的弹道极限方程系数修正方法，并成功地应用于双层板弹道极限方程。与国内外多组双层板结构试验结果的对比表明，综合建模方法得到的弹道极限方程具有较高的预测精度，比以往的方程更适用于预测双层板结构的弹道极限。针对空间站防护结构的设计需求，研究确定了具有较高精度的Nextel/Kevlar填充式防护结构数值仿真技术，并仿真获得了高速段填充材料对弹道极限的影响规律。采用综合建模方法初步建立了Nextel/Kevlar填充式防护结构超高速撞击弹道极限方程，该方程预测NASA和ESA国际空间站的Nextel/Kevlar填充式防护结构弹道极限时最大误差不超过11 %，比以往的方程具有更高的预测精度。