超高速撞击与防护研究-AUTODYN数值模拟仿真的4大核心优势

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者——战斗部仿真。自2022年入驻仿真秀以来，已发布多套爆炸与冲击仿真原创视频深受用户喜爱。与此同时，我用时6 年！编著《爆炸与冲击数值模拟技术》图书上市了。近日，我的《爆炸与冲击AUTODYN数值仿模拟真实战》视频教程终于在仿真秀官网正式上架了，欢迎读者试看，详情见后文。

寂静的太空并非真空。在我们头顶的轨道上，失效卫星的残骸、爆炸的火箭碎片、宇航员失手飘走的工具包，甚至冷冻尿液喷射形成的冰晶，正以子弹十倍的速度呼啸飞驰。这些人类航天活动的遗产，已编织成一张无形的死亡之网。总之，地球轨道已成为人类制造的 “最大垃圾场”。  

太空垃圾的来源复杂多样

如上图所示，失效航天器占现有垃圾总量的12%，它们如同幽灵船般在轨道上游荡；火箭末级残骸占比8%，其内部未耗尽的燃料常引发意外爆炸，仅2024年就因此新增2600多块碎片；而占比高达60%的解体碎片，则来自太空中的碰撞事故——2009年美俄卫星相撞瞬间迸发的2100多块碎片，至今仍在威胁国际空间站。 

一、轨道坟场-数字背后的致命现实  

直径>10厘米的碎片超3.4万块，包括报废卫星和火箭壳体，虽可追踪却无法完全规避。  

1-10厘米的隐形杀手超90万块，雷达难以定位却可击穿航天器舱壁。  

<1厘米的微碎片达1.3亿块，密如沙暴的金属屑以每秒7-8公里速度飞驰。  

这些碎片的破坏力令人震惊。一块10克碎片撞击的能量，相当于两辆百公里时速汽车迎面相撞。2012年，一块碎片与国际空间站擦身而过时仅距120米；2021年，空间站机械臂被毫米级碎片击穿，留下触目惊心的孔洞。更令人忧心的是，NASA顾问唐纳德·凯斯勒预言的“凯斯勒综合症”正从理论走向现实：碎片碰撞产生新碎片的速度，已超过自然坠入大气的衰减速度。即使人类立即停止所有发射，碎片数量仍将持续增长。  

二、生死防御-铠甲与躲闪  

面对每秒8公里的子弹雨，人类航天器正展开立体防御：  

物理护甲：国际空间站覆盖铝制Whipple防护层，通过牺牲外层装甲分散撞击能量，如同太空中的防弹衣。  

智能闪避：2022年SpaceX星链卫星单月执行超6000次避障机动；中国空间站建立全天候预警系统，实时调整轨道躲避威胁。  

离轨自毁：中国金牛座纳星搭载高尔夫球大小的薄膜帆，寿命结束后展开2.25平方米风帆，利用大气阻力将离轨时间缩短90%，避免成为百年垃圾。  

而对于已存在的威胁，新一代太空清道夫正崭露头角：  

机械捕获：欧洲清洁太空一号计划2025年发射，用四只机械臂合抱112公斤的火箭残骸，与其共赴大气层火葬。  

仿生科技：触手式柔性机器人，可在盲区精准抓取碎片。  

鱼叉与飞网：英国RemoveDEBRIS卫星成功演示用鱼叉穿透碎片，并用网覆盖足球场面积围捕自旋目标。 

三、数字仿真AUTODYN预演超高速撞击  

超高速撞击（HVI）研究中，地面实验虽能直接获取弹靶破碎数据并为数值模拟提供依据，但其高昂成本、长周期及高技术要求限制了广泛应用。数值模拟凭借其快速、直观的优势，成为研究HVI碎片云形成、材料动态响应及内在机理不可或缺的辅助手段，能有效弥补实验不足、探索复杂工况并指导实验设计。  

HVI模拟面临材料极端大变形、破碎、熔化及碎片云演化等核心挑战。传统的网格法（如Lagrange、Euler、ALE）在此类问题上常显不足。无网格法，特别是光滑粒子流体动力学（SPH），因其天然适合模拟大变形、断裂和飞散材料，在HVI领域展现出显著优势。SPH采用携带材料属性的粒子描述系统，通过核函数近似粒子间相互作用，并受守恒方程控制。

AUTODYN软件在HVI数值模拟中发挥着关键作用，其核心优势在于：  

1、强大的多求解器耦合能力：无缝集成SPH、Euler、ALE等算法，为精确模拟HVI全过程（包括冲击波传播、材料剧烈变形、破碎、相变直至碎片云形成与扩展）提供了灵活高效的解决方案。  

2、专业的材料模型库：内置丰富且经过验证的高压状态方程（如Gruneisen, Tillotson）和适用于高应变率、高温环境的材料本构模型（如Johnson-Cook），以及失效模型，精准刻画材料在极端冲击载荷下的复杂响应。  

3、高效的显式动力学求解：其显式求解器专门针对HVI涉及的瞬态、高度非线性物理过程进行优化，确保计算效率和精度。  

4、成熟的SPH实现：AUTODYN提供了稳健且用户友好的SPH求解器，使研究者能够便捷地应用SPH方法模拟弹丸穿透、靶板穿孔及碎片云动力学等典型HVI场景，成为该领域广泛应用的主流工具之一。

因此，AUTODYN是进行超高速撞击与防护研究（如航天器空间碎片防护设计评估、动能武器侵彻机理分析、材料动态行为研究）的重要工程与科研平台，显著降低了物理试验成本并深化了对复杂瞬态过程的理解。

为了帮助工程师掌握这种分析能力，强烈推荐读者订阅视频课程《爆炸与冲击AUTODYN数值仿模拟真实战》。以下图片选自课程内容，欢迎试看。

四、AUTODYN仿模拟真实战教程

本课程基于ANSYS16.0平台，由仿真秀优秀讲师、战斗部仿真精心打造，从基础理论到 6 大实战案例，带你解锁 Lagrange、Euler 等算法奥秘。无论是破片侵彻模拟，还是炸药威力场分析，在这里都能找到答案！无需复杂摸索，跟着行业大咖学技术，让科研与工作事半功倍，开启你的爆炸冲击仿真进阶之旅！

1、以下是课程安排

第1课：课程概述

第2课：AUTODYN基础知识

第3课：AUTODYN基础理论

第4课：练习1：Lagrange、Lagrange接触作用—2D破片侵彻

第5课：练习2：Lagrange、Lagrange接触作用—破片填充侵彻靶板

第6课：练习3：Euler爆炸作用—聚能射流成型

第7课：练习4-Euler算法—高速杆穿甲

第8课：练习5-SPH求解器—弹丸超高速撞击

第9课：练习6-炸药近地面爆炸威力场传播

2、为社么要学这个课程

（1）大平台，专业筑基：基于 ANSYS16.0 软件平台，聚焦 AUTODYN 软件基础问题，从理论到实操搭建完整知识框架，为爆炸与冲击数值模拟学习筑牢根基。

（2）实战导向，案例丰富：6 大经典练习覆盖 Lagrange、Euler、SPH 等多种算法，涵盖破片侵彻、聚能射流成型、炸药威力场传播等热门场景，学练结合，快速掌握核心技术。

（3）大咖授课，经验赋能：仿真秀优秀讲师战斗部仿真亲自授课，其任职于中国船舶集团核心岗位，拥有丰富科研与项目经验，将前沿技术与实用技巧倾囊相授。

（4）聚焦领域，精准提升：针对爆炸与冲击动力学领域，直击行业痛点，助力科研人员、工程师及相关专业学生突破技术瓶颈，实现能力进阶。

可回放，开具发票，奖学金、直播加餐

提供vip群答疑和模型下载

本课程还为付费用户提供VIP群交流、答疑服务、持续加餐内容、提供定制化培训和咨询服务、仿真人才库高薪内推就业、仿真秀还提供奖学金、学完此课程，推荐学习者报名参加工信部教考中心认证的——工程仿真技术（CAE分析职业能力登记评价证书）。

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来源：仿真秀App