[发明专利]一种基于密度信息的高速撞击碎片重构方法

说明书

本发明公开了一种基于密度信息的高速撞击碎片重构方法。所述方法包括：对高速撞击数值模拟产生的粒子相关信息进行基于密度的聚类分析，根据聚类分析结果将离散的粒子重构为完整的碎片。本发明可基于超高速撞击数值模拟实验的粒子重构碎片，反映碎片云的真实情况。

技术领域

本发明涉及一种基于密度信息的高速撞击数值模拟碎片的重建方法,属于数值仿真技术领域。

背景技术

随着现代航天器的发展,大量的人造卫星或者航天器被送到地球轨道,同时大量运载工具产生的喷射物和抛弃物、空间物体碰撞产生的碎片等留在太空中,导致太空垃圾逐渐增多。微流星体和空间碎片对航天器的安全造成了巨大的威胁。例如,长时间暴露的航天器外部有超过30000个直径大于0.3mm的陨石坑,都是由微流星体或轨道碎片撞击形成。太空中的空间碎片碰撞速度高达5～15km/s,即使是尺寸小的碎片,与航天器碰撞时也会对其结构造成严重破坏。因此在研制航天飞行器、人造卫星、洲际弹道导弹时,需要研究空间碎片或者陨石超高速碰撞引起的破坏效应。

空间碎片超高速撞击产生相关破坏效应的探究主要分为实验和数值模拟。其中，实验通常采用二级/三级轻气炮、电炮、磁驱动装置以及激光驱动装置等进行。实验研究让我们对超高速撞击产生的碎片云以及靶板损伤情况等有了基础的了解,也为数值模拟提供了对比的数据和图像，但目前的大部分实验技术至多只能将弹丸加速到8km/s，使进一步的研究难以开展，同时实验费用较为昂贵,也限制了其快速发展和应用。

数值模拟方法由于其本身具有的优势可有效克服上述技术问题，但通过数值方法模拟研究空间碎片超高速碰撞效应时，碎片云形貌的预测是当下的难点。在超高速撞击中,碎片云的形貌发展是碎裂、相变、以及计算方法准确性、加载条件精确性等多个方面的强耦合结果,任何一个物理概念的不准确都会导致碎片云的形貌与实际不符。因此通过数值模拟研究碎片云的形貌,即是对超高速撞击数值模拟过程中的各个关键因素进行探究。

碎片云形貌研究过程采用的数值模拟方法中，基于网格的方法如拉格朗日有限元法等存在着网格畸变导致计算无法进行的问题,而无网格方法由于没有网格依赖性，减少了因网格畸变引起的困难，对于高速碰撞这类大变形问题有较好的应用优势。但在使用无网格方法计算高速撞击实验，计算结果中节点无法生成撞击的碎片，导致无法得到真实碎片的大小和形状，不能具体观测碎片，阻碍通过数值模拟方法研究碎片云形状的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于密度信息的高速撞击碎片重构方法，获得真实的碎片分布情况。

本发明的技术方案如下：

基于密度信息的高速撞击碎片重构方法，其包括：对高速撞击数值模拟产生的粒子进行基于密度的聚类分析，根据聚类分析结果重构碎片并显示重构后的碎片。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚类分析需要的粒子相关信息包括但不限于：粒子空间坐标，粒子标识信息(id号)。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚类分析对于导入其他的粒子相关信息可以在聚类分析后根据粒子信息推得碎片的相关特征信息，如碎片等效半径，质量。

根据本发明的一些优选实施方式，所述聚类分析结果信息包括但不限于：碎片标识号，碎片包含的粒子的id号和数量、核心碎片粒子的id号及其空间坐标值、碎片的总数量及等效半径。

根据本发明的一些优选实施方式，聚类分析所需要的参数主要是划分簇时所使用的圆半径大小(EPS)，确定核心对象时周围点数目的阈值(min_samples)。

根据本发明的一些优选实施方式，所述基于密度的聚类分析通过DBCSAN算法实现。

根据本发明的一些优选实施方式，根据聚类分析结果可通过可视化手段显示重构后的碎片，体现粒子在空间中的分簇情况。