三维机织复合材料细观黏弹性梁模型

建立了两种组合梁模型,分别模拟3D机织复合材料内部和表面纤维束的细观结构,模型反映了纤维束细观结构和变形的周期性,考虑了纤维束的局部弯/剪耦合效应和局部偏轴效应。实验确定了一种树脂基体各向同性蠕变本构的参数,在此基础上建立了纤维束横观各向同性的蠕变本构模型,将基体和纤维束的蠕变本构应用于上述细观组合梁模型,用于分析3D机织复合材料宏观平均的黏弹性应力应变响应。用上述模型分析了一种环氧树脂/玻纤体系3D机织复合材料的细观应力分布和平均宏观模量,模拟了其蠕变、弹性回复曲线,模型预测与实验结果吻合。     

对B-P本构模拟材料率相关塑性变形和循环硬化的改进

对Bodner-Partom统一黏塑性本构理论（B—P模型）进行了修正，改善了其对材料加载速率相关的黏塑性和循环硬化的模拟精度。改进模型包含两个各向同性硬化内变量：一个用于描述小非弹性应变范围内快速的各向同性硬化。另一个以缓慢的演化速率来表述大的累积非弹性变形，如循环硬化过程中非弹性应变累积。利用ABAQUS的用户材料子程序将改进模型编成有限元计算代码，通过对镍基合金Udimet 720Li率相关黏塑性特征的本构模拟对其进行了验证，并与B-P模型作了对比。结果表明改进模型能够以更高精度、更加灵活地对材料的非弹性力学行为进行建模。     

高Nb-TiAl合金高温力学行为本构建模仿真技术

针对新研制的高Nb-TiAl合金(Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(原子分数/%)),开展了750℃条件下不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变试验,获得了相应试验条件下的试验数据和曲线,基于宏观唯象Chaboche黏塑性统一本构模型,采用Ohno-Wang修正项准确表征材料的循环硬化/软化行为。另外,为了准确模拟材料的加速蠕变阶段,在Chaboche黏塑性统一本构模型中耦合Kachanov损伤演化率,采用自适应的显式Euler法将微分形式的本构模型离散为差分方程组,并植入到有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT中,实现对高Nb-TiAl合金在不同试验条件下力学行为的仿真模拟。结果表明,采用考虑Ohno-Wang修正并耦合Kachanov损伤的Chaboche黏塑性统一本构模型能够准确模拟高Nb-TiAl合金不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变行为,且预测精度较高,满足实际工程需要。     

不同加载应变率下有机玻璃的压缩破坏与力学行为

对有机玻璃试件进行准静态和动态压缩试验,研究加载应变率对有机玻璃材料力学性能的影响,分析不同加载应变率下有机玻璃材料的微观损伤破坏模式.通过简化黏弹性本构方程拟合出适用于有机玻璃材料的黏弹性模型参数,并与试验结果进行比较.结果表明:在准静态加载条件下,有机玻璃表现为延性破坏,在动态加载条件下则表现为脆性破坏;随着加载应变率的提高,有机玻璃的流动应力明显增加,且动态加载条件下的峰值应力增加速率高于准静态.     

FGH97缺口试样基于黏塑性本构的弹塑性响应分析

针对缺口试样在高温条件下局部区域应力应变难于测量的问题,基于光滑试样材料力学性能试验,优化得到550℃粉末高温合金FGH97的Chaboche黏塑性统一本构方程参数,并将其应用到FGH97缺口试样单调拉伸及循环加载弹塑性有限元分析中.研究结果表明:①缺口局部区域进入塑性后其应力分布与弹性条件明显不同,随应力增大,最大应力位置向内移动;②在循环载荷条件下,随着循环数的增加,缺口平分线上应力/应变范围变化不大,缺口根部塑性区域出现明显平均应力松弛,并逐渐趋于稳定,导致缺口根部循环载荷比不同于外部施加载荷;③缺口根部塑性区域逐渐增大,但增大的幅度逐渐降低.该研究可为进一步分析缺口构件疲劳寿命影响因素提供支持.      

直升机旋翼黏弹阻尼器时域动力学建模与分析

建立一种适用于旋翼气动弹性分析的黏弹阻尼器模型,该模型考虑了黏弹材料本身的刚度非线性及激振力频率和幅值对黏弹阻尼器应力-应变关系的影响。通过引入新型几何非线性弹簧模块,根据需要调整模型的刚度变化规律,避免了现有黏弹阻尼器模型模拟不同类型材料时因刚度变化规律差异而需重新建模的缺陷,模型适应性强。模型采用多个内变量场,既能体现阻尼器幅变特性,也能准确反映多频激励下的黏弹性特性。以两种不同类型黏弹材料制造的黏弹阻尼器为研究对象,在旋翼黏弹阻尼器的典型工作幅值和频率范围内,进行了简谐实验。利用建立的旋翼黏弹阻尼器非线性时域动力学模型,计算不同类型黏弹材料制造的阻尼器在多种应变幅值、频率下的动态特性并与实验相比较,分析了黏弹阻尼器损耗模量、储能模量频变特性和双频激励对阻尼器的影响。结果表明,建立的非线性黏弹阻尼器动力学模型能够更好地反映不同类型黏弹材料构成的黏弹阻尼器的动刚度和阻尼,适合于直升机旋翼载荷计算和气动弹性分析。     

双脉冲发动机EPDM软隔层黏超弹本构模型

三元乙丙橡胶（EPDM）用于软隔层式双脉冲固体火箭发动机软质脉冲隔离装置（PSD）时,主要在Ⅰ脉冲工作时起到绝热抗烧蚀作用,同时保证Ⅱ脉冲能够可靠工作。根据橡胶类材料连续介质力学理论,建立了描述EPDM软隔层在有限变形下的黏超弹本构模型。模型由超弹部分和非线性黏弹性部分构成：超弹部分在Mooney-Rivlin模型的基础上进行了改进,使之能够描述大应变时的硬化现象;非线性黏弹性部分采用广义黏弹性模型,采用无量纲形式的KWW方程替代了传统的Prony级数,使得用2个参数就能预测较大应变率范围内的力学响应。利用万能材料实验机对EPDM软隔层进行了多步松弛实验和单轴等速率拉伸实验,然后根据实验结果,采用分步拟合的方法求出模型参数,利用所建立的本构模型对其余的实验结果进行预测并与实验结果进行比较,对比结果表明所建立的模型能较好地预测EPDM软隔层伸长比在800%以内的单轴等速拉伸响应。最后利用文献中的实验数据验证了所建立的模型能够较好地预测多种工况下的力学响应。     

基于热力学的HTPB/AP复合底排药损伤本构模型及损伤差异分析

为研究HTPB/AP复合底排药（CBBG）单轴拉伸力学性能,进行了准静态（233~301 K,8.3×10^-5~8.3×10^-1 s^-1）和冲击（233~323 K,1 200~8 000 s^-1）加载实验。实验结果表明,各工况下的真应力应变曲线均有明显的屈服点,初始模量、屈服应力及后屈服阶段形态均呈现显著的温度和应变率相关性。在不可逆热力学框架内,推导了热力学力表达式和内变量演化法则,结合初始模量和屈服应力模型,建立了黏弹-黏塑-损伤本构模型。根据HTPB/AP CBBG宽泛温度和应变率实验数据,利用一维形式的本构模型进行了参数辨识和模型验证。结果表明,该模型能较准确描述黏弹性阶段和后屈服阶段。不同工况下的损伤演化律表明,冲击加载和低温均有利于损伤扩展。     

EPDM薄膜橡胶包覆材料的粘-超弹本构模型研究

为了描述一种新型三元乙丙(EPDM)橡胶薄膜包覆材料的力学性能,进行了不同拉伸速率(0.1~5mm/s)下的单轴拉伸试验和多步松弛试验。研究了材料的应力-应变响应,建立了有限变形下的粘-超弹本构模型。模型由超弹与粘弹两部分组成:超弹部分基于多项式应变能函数推导获得,粘弹部分则采用Maxwell模型来描述。通过单轴拉伸试验和多步松弛试验分别获得粘弹参数和超弹参数。将所建模型预测结果与试验结果相对比。结果表明:模型能很好地描述材料在20%工程应变范围内的力学特性,预测结果与试验结果最大偏差仅为5.6%,验证了模型的可靠性。     

NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法

为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的改性双基推进剂

研究了3,4 二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)逐渐取代硝胺改性双基推进剂中的RDX对推进剂能量、燃烧性能和机械感度的影响。结果表明:用DNTF逐渐取代硝胺改性双基推进剂中的RDX,推进剂的理论比冲、特征速度、火焰温度和产物平均相对分子质量均增加;推进剂撞击感度增大,摩擦感度降低。DNTF代替具有平台燃烧特性的改性双基推进剂中的RDX后,推进剂仍可获得较低的压强指数。     

HTPB推进剂的低温疲劳特性

为探究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在低温下的疲劳特性，结合空空导弹在使用中的实际情况设计了包含不同应变幅值和加载频率的高周疲劳实验.实验在动态热机械分析仪上进行，温度保持为-50℃，加载频率设定为50,100,150Hz.为了考察低温下HTPB推进剂微小预变形对疲劳特性的影响，在动力循环加载前进行了准静态加载.疲劳实验后对试件实施单轴恒速拉伸，以获取疲劳后推进剂的力学参数.结果表明:在其他条件不变的情况下，疲劳应变幅值和加载频率越大，材料力学性能劣化程度越大，所累积的疲劳损伤量越大.初始阶段的准静态加载对推进剂疲劳特性起消极影响，低温高频下推进剂的疲劳损伤演化呈现出非线性，随着疲劳次数的增加，疲劳损伤增速由快变缓.      

A visco-elastoplastic constitutive model of aircraft polymethylmethacrylate related to strain rate and temperature

The visco-elastoplastic mechanical behavior related to the applied strain rate and temperature around the glass transition temperature of Polymethylmethacrylate (PMMA) has been systematically investigated. The uniaxial tensile test was performed at strain rate and temperature rangs 1.0 × 10⁻⁴–1.0 × 10⁻² s⁻¹ and 363–393 K, respectively, and the Dynamic Mechanical Analysis (DMA) test was carried out between 363 K and 413 K at various frequencies. Moreover, the robust complex constitutive model considering the temperature and strain rate effect is proposed. A nonlinear viscoelastic model is established to describe the viscoelastic response on the basis of the Zhu-Wang-Tang (ZWT) model and the time temperature equivalence principle, including the dependence of strain rate and temperature. Considering the yield stress, the cooperative model is adopted. The viscoplastic mechanical response is manifested as the competition performance of the softening deformation and hardening behavior. The predicted mechanical responses maintain good consistency with the experimental results, indicating that the visco-elastoplastic constitutive model proposed can accurately predict the mechanical behavior of PMMA materials within the imposed strain rate and near the glass transition temperature range.     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

粉末高温合金粘塑性试验评定与本构模型参数估计

 开展了粉末高温合金 FGH95 550℃、600℃和 650℃等 3种温度下控制应变率单向拉伸试验和 550℃下循环加载试验研究,结果表明 :600℃以下,快、慢应变率时,5%的试验应变范围内应力—应变曲线都一直上升,不存在应力饱和现象,热恢复效应不显著;但 650℃下慢应变率时则存在较明显的应力饱和现象,反映出在此条件下必须考虑蠕变效应。温度越高应变率对 FGH95的拉伸力学性能影响越明显,但总的说来是一种应变率不甚敏感的循环硬化材料。最后,在试验的基础上建立了 FGH95的 Bonder-Partom统一弹-粘塑性本构模型,理论与试验吻合较好,表明该模型能够模拟 FGH95的应力-应变关系曲线、应变率响应特性以及循环硬化特性,从而为 FGH95粉末高温合金构件的高温应力分析打下了基础。     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。