复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

微孔贯通机制的韧性多裂纹扩展研究

拉伸载荷作用下,裂尖附近具有较高的应力三轴度,微孔洞体积扩张及随后内部韧带颈缩是主导韧性裂纹扩展的细观机制。为基于微孔洞损伤机制模拟裂纹扩展,需要建立合理的孔洞贯通准则。基于三维体胞分析,建立了2524-T3铝合金的宏观等效应变失效准则。通过假设孔洞在贯通前保持球形扩张,将塑性极限载荷准则推导为仅依赖于宏观应变的形式。这两种准则分别与Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型结合在一起,形成了GTN-E及GTN-L模型,对2524-T3铝合金薄板中的韧性多裂纹扩展过程进行了模拟。模拟结果与试验结果的对比表明,可以有效地分析韧性多裂纹的扩展连通过程。     

基于CRKSPH的炸药巴西压裂仿真研究

使用守恒型再生核粒子(CRKSPH)方法,结合弹脆性损伤本构模型,对PBX9501炸药标准巴西试验断裂过程进行了仿真,并对炸药内裂纹的产生和分布进行了预测。计算中,使用CRKSPH方法,可有效地提高计算精度和避免人工粘性误差;本构模型基于PBX9501炸药材料细观结构特征和破坏模式,并使用损伤参数D(单位面积上微缺陷的密度)来表征材料的破坏程度;计算结果中,试件断裂形式和中心点应力结果与文献中试验结果符合较好,而且加载速率对试件的断裂形式和断裂时间均有一定的影响。研究表明,CRKSPH方法在计算PBX9501炸药断裂损伤及裂纹扩展问题上有一定的工程实用价值。     

界面损伤对复合固体推进剂黏弹性本构关系的影响

基于Eshelby-Mori-Tanaka细观力学理论及Weilbull统计学方程,建立了含界面损伤的复合固体推进剂黏弹性本构关系,研究了均匀开裂、环向开裂和顶部与底部开裂3种界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系的影响。数值分析结果表明:界面损伤对推进剂黏弹性本构关系影响显著,使其呈现明显的非线性黏弹性;不同界面损伤模式对推进剂黏弹性本构关系影响程度各异。     

固体推进剂动态力学行为研究进展

从动态力学表征、损伤机理、动态断裂和动态本构4个方面,对固体推进剂动态力学行为进行了综述。分析表明,动态力学实验重点关注固体推进剂的初始弹性模量、屈服应力、强度等参数,填充颗粒破裂是动态损伤的主要形态,动态断裂主要集中动态起裂研究,并对3类动态本构模型性进行了评述。在此基础上,梳理了下一步研究的重点,认为深化实验研究、力学数值模拟和含损伤热粘-超弹性动态本构模型将是下一步研究的重点。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

复合推进剂的细观失效机理分析

建立了颗粒填充复合推进剂的细观有限元模型,计算了颗粒与基体粘结完好和存在脱粘两种情况下颗粒与基体内的应力分布,分析了复合推进剂的细观失效机理。结果表明,在细观结构下,复合推进剂中的应力分布是不均匀的,推进剂一般首先在极区产生脱粘,颗粒的大小对推进剂的力学性能有较大影响。     

固体推进剂低温细观损伤仿真研究

为了研究低温条件下固体推进剂的细观损伤,采用Cohesive单元描述推进剂材料的颗粒/基体界面,基于ABAQUS软件,开发了模拟基体开裂的VUMAT本构子程序,仿真了常温和低温条件下其损伤破坏过程。结果表明,低温对单颗粒推进剂影响较小,推进剂损伤从界面脱粘开始,沿颗粒赤道方向由脱粘面向基体扩展,规律与常温情况相同。随着推进剂颗粒增加,虽然大颗粒仍然首先发生界面脱粘,但是低温会对推进剂界面脱粘和基体断裂的时机、位置和损伤程度造成显著影响,导致推进剂破坏形式更加复杂。     

含损伤非线性粘弹性本构模型及数值仿真应用

提出了一种含累积损伤的非线性粘弹性本构方程,通过数值展开,获得该应力更新方程和切线模量矩阵,利用FORTRAN语言编制了自定义材料本构模型子程序,将子程序融合到ABAQUS软件中进行有限元数值仿真。通过验证试验证明了所建立的非线性粘弹性本构方程及数值方法的准确性和实用性,为装药结构完整性数值仿真提供了较为精确的本构模型及材料子程序。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元。针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理。将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程。研究结果表明,数值模拟结果的损伤形貌与试验结果吻合良好,建立的数值模型能较好地反映粘接界面细观损伤过程;对于初始粘接良好的粘接界面,颗粒的脱湿与粘合剂基体的损伤导致了拉伸过程中粘接界面应力应变曲线的非线性;为了提高粘接界面抵抗脱粘的能力,一方面应提高推进剂内部颗粒与粘合剂基体的粘接强度,另一方面颗粒脱湿之后,提高粘合剂基体的最大失效应力。     

基于数字图像相关法的复合材料结构失效分析

针对纤维增强复合材料失效机理复杂的问题,采用数字图像相关法对拉伸试验中的复合材料表面位移进行数字化处理,建立了基于Hashin改进准则的结构模型,对比试验和仿真结果,分析试件的失效过程和机理。运用蒙特卡洛方法和有限元法,讨论并分析影响结果精度的因素。结果表明,数字图像相关法能够用于观察和分析复合材料结构的失效过程;基于Hashin改进准则的仿真模型与试验结果一致,可以作为进一步细观力学分析的基础;相对于其他结构参数,纵向拉伸强度对结果精度的影响更大。该结果可为复合材料可靠性分析提供理论参考。     

电子束辐照下铝合金靶中热击波传播规律研究

文章研究了电子束辐照下铝合金靶中热击波的传播与衰减规律。首先给出了基于半径回归法的铝合金本构模型,并给出了将其应用于数值模拟的计算流程。然后,利用该模型以及自主编写的计算软件DRAM1D,模拟了脉冲电子束辐照铝合金的热击波效应。将计算结果与采用理想弹塑性本构模型得到的结果以及实验结果进行了比较,结果表明,相比于理想弹塑性本构模型,基于半径回归法的铝合金本构模型所得到的热击波衰减相对较快,与电子束辐照铝合金的实验结果符合较好,更适合于描述铝合金靶材中的热击波传播。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

6061铝合金激光焊温度场与应力场数值模拟研究

为了解决激光焊接铝合金对接接头的质量问题，本文采用热-结构耦合有限元技术，建立了在移动高斯热源作用下的三维激光焊接温度场和应力应变场的计算模型。首先，利用有限元软件MSC.Marc模拟焊接过程中试片级试样的温度和应力的变化及其变形情况;其次，研究试样瞬态温度场和应力应变场的变化规律及其分布特征;最后，探讨激光功率和焊接速度对接头质量的影响规律。试验中所选取的激光功率和焊接速度等工艺参数均通过数值模拟进行优化，并根据优化后的工艺参数完成激光焊接4 mm厚6061-T6铝合金平板对接试验。通过对焊接接头形貌的观察及分析进行热源校核，结果表明:仿真计算得到的焊接熔池边界温度达到6061铝合金熔点以上，且其形状分布与实际试验所得焊缝边界基本吻合，从而验证了模拟结果的准确性和可靠性。     

磁力矩器用磁性材料力学性能研究

为确定用于磁力矩器的铁镍合金、铁钴合金和铁铝合金3种磁性材料的力学性能,对它们进行了力学拉伸试验,发现材料塑性不同会对试件断裂位置产生一定影响,主要表现为塑性材料在设计薄弱部位断裂,而脆性材料在夹持应力集中位置断裂。根据这一结果,对拉伸试验进行有限元模拟分析,计算结果表明导致断裂位置差异的原因主要是设计薄弱部位的长度以及试件夹持部位出现应力集中。依据有限元计算结果,对试件进行了改进设计并重新模拟计算,结果显示,改进后的3种合金材料试件在拉伸试验中其断裂部位均出现在设计薄弱部位。铁钴合金试件改进后的拉伸试验也充分验证了模拟计算的准确性。由此给出了3种材料合理的力学性能参数。     

低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

为分析热老化后三组元端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在低温动态准双轴加载下的性能，开展了不同热加速老化时间、不同温度和应变率条件下推进剂的准双轴拉伸力学性能试验及扫描电镜(SEM)观察试验。试验结果表明：热加速老化前后，推进剂的拉伸曲线趋势、力学性能变化规律及细观损伤形式保持一致，改进型非线性模型能够更好地描述1~100 s -1 应变率范围内典型力学性能参数随热老化时间的非线性变化关系。随温度降低，老化后推进剂的断面形貌由“脱湿”变为AP颗粒断裂，热老化、低温以及高应变率载荷的叠加使得推进剂的细观损伤变得更加严重，但准双轴拉伸时损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。热老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、 14.29 s -1 加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s -1 条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%，该参数定义可为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性失效的准则提供数据支持。     

HTPB复合固体推进剂粘弹性应变能及非线性本构模型

为了准确表征HTPB复合固体推进剂在有限变形条件下的力学性能,针对推进剂粘弹性应变能及本构模型进行研究。提出了推进剂粘弹性应变能函数和非线性本构方程的一般形式,并通过一元非线性回归方法拟合不同应变率下的拉伸试验数据,得到了材料参数关于应变率的函数,并由此建立了推进剂单轴拉伸变形下的应变能函数和本构方程,预测了不同应变率下的应力曲线,与试验结果和已有模型的预测结果进行了对比。结果表明,材料参数与应变率之间呈现幂函数关系;推进剂应变能密度随变形量的增大呈非线性单调增长,同一变形条件下,应变率越高,推进剂的应变能密度越大;本构方程可准确描述推进剂拉伸变形的应力应变关系,且尤其适用于表征低应变率下,材料在有限变形内的粘弹特性。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

扭簧应力松弛及冲击特性试验研究

扭簧具有受外力约束变形后储能并在去除约束后反弹的特性，使其在航天任务中多作为无源动力元件加以使用，由于航天器的特殊应用背景，应力松弛和冲击破坏是航天用扭簧的主要失效形式。通过自行研制的扭簧应力松弛特性和冲击特性测试的试验装置，针对若干结构尺寸的扭簧，进行了不同怠位扭转角条件下的应力松弛特性试验和不同冲击行程及冲击负载条件下的冲击特性试验，并采用最小二乘法对试验结果进行了拟合。通过以上工作获得了扭簧应力松弛的一般规律、怠位扭转角对扭簧应力松弛特性的影响规律、冲击行程和冲击负载对扭簧冲击特性的影响规律及扭簧扭转刚度对扭簧应力松弛和冲击特性的影响规律，为扭簧可靠性分析和工程设计提供了直接的试验数据。