針對服役期滿大型航天器無控飛行軌道衰降再入大氣層解體過程及落區(qū)難以提前預測,再入解體后生成的碎片可能造成地面危害等問題,采用分子動力學模擬方法,選取MEAM勢函數,構建了碳元素質量分數0.215%的含碳鋼分子動力學模型,計算了不同溫度下材料的平衡態(tài)晶格常數,并通過晶格常數與溫度的關系,計算了模型的線膨脹系數,驗證了MEAM勢函數在所建立的仿真模擬系統(tǒng)合理性;使用經過驗證的分子動力學模型與MEAM勢函數,模擬了鋼制平板在Ma_∞=8.37,Kn_∞=0.01,γ=1.4的高超聲速再入氣動環(huán)境中,通過結構動態(tài)熱力響應變形行為有限元算法計算出的部分狀態(tài)下材料微觀演化行為,初步證明了分子動力學模擬方法在服役期滿大型航天器再入大氣層解體過程的分析仿真計算中的作用,為實現分子動力學方法同動態(tài)熱力響應有限元算法的耦合奠定了基礎。 

【文章來源】：載人航天. 2020,26(04)北大核心CSCD

【文章頁數】：10 頁

【部分圖文】：

體心立方晶格結構示意圖

圖2為對300 K溫度下類電池帆板材料模型的晶格常數與晶體結合能的擬合曲線,擬合結果顯示此溫度下,材料模型的主要晶胞平衡態(tài)晶格常數為a300 K=2.8962 ?,查閱手冊[18]可得,與模擬的材料模型含碳量相近的20#鋼在20 ℃(293.15 K)的溫度條件下,主要晶胞平衡態(tài)晶格常數為2.8664 ?,這與本文擬合計算結果吻合很好,相對偏差僅為1.04%。在400～1000 K的不同溫度下,重復上述過程,分別擬合對應溫度下的主要晶胞平衡態(tài)晶格常數,將之與溫度進行線性擬合,并根據擬合結果與模擬得到的300 K溫度下材料的主要晶胞平衡態(tài)晶格常數,按照式(1)對材料模型在300 K溫度條件下的線膨脹系數α進行計算。

圖3給出了對各個溫度條件下擬合得到的類電池帆板材料模型的主要晶胞平衡態(tài)晶格常數與對應溫度進行線性擬合的結果,其中擬合斜線的斜率為k=4.166 12×10-5 ?/K,根據式(1)可得材料模型模擬所得的300 K溫度條件下線膨脹系數為α300 K=1.4385×10-5 K-1。查閱手冊[18],20#鋼的常溫線膨脹系數為α=1.42×10-5 K-1,與模擬結果相對偏差為1.3%,較為接近;同時也與提供本文高超聲速再入環(huán)境的計算條件來源文獻[6]在計算鋼制平板這一大型桁架航天器太陽電池帆板的簡化再入模型時所采用的材料系數α=1.5×10-5 K-1較為相近,兩者相對偏差4.1%。通過以上驗證分析,證實本文針對類電池帆板分子動力學材料模型的構建方法與所選取的MEAM勢函數能較為準確可靠描述材料的微觀力學行為,可用于材料力學性能的模擬計算。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]跨流域高超聲速繞流環(huán)境Boltzmann模型方程統(tǒng)一算法研究[J]. 李志輝,彭傲平,方方,李四新,張順玉.  物理學報. 2015(22)



本文編號：3363896