基于损伤的HTPB推进剂／衬层界面内聚法则构建

为提高丁羟（ HTPB）推进剂／衬层界面数值仿真结果的准确性,首先改进了单搭接试件,通过剪切实验获取界面断裂参数,而后分别采用双线型模型和指数型模型对试件进行数值研究,进行影响分析,并在此基础上建立了一种基于损伤变量的自定义内聚力模型,使模型具有了明确的物理含义。结果表明,改进的单搭接试件能够测定柔韧粘接件的II型断裂参数;II型界面断裂时,内聚力曲线形式与实验曲线形式一致;该基于损伤的内聚力模型能够比双线性模型和指数型模型更准确地反映HTPB推进剂／衬层界面的II型断裂性质。     

固体发动机推进剂/绝热层界面I型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得PPR内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。     

基于微观图像及内聚力模型的复合材料裂纹扩展模拟

为研究材料微观结构及晶界强度对材料力学性能的影响,在晶界处引入内聚力单元模型,模拟晶间破坏过程。以ZrB_2-SiC复合材料为研究对象,将其扫描的微观结构图片进行矢量化处理,并导入ABAQUS有限元软件中建立模型,同时在其晶界处,设置内聚力单元模拟晶界破坏过程。通过改变Zr B2与Si C相界面强度,得到了晶界及材料不均匀对材料应力分布及裂纹扩展的影响。结果表明,由于晶界的存在,材料内部出现应力分布不均匀现象并产生应力集中。随着晶界强度的改变,裂纹起始位置及扩展方向发生改变,且裂纹沿低强度的界面进行扩展。随着ZrB_2-SiC界面强度增大,材料的强度提高,拉伸模量不变。     

未老化NEPE推进剂/衬层粘接试件拉伸失效模式研究

采用原位拉伸扫描电镜观测不同温度下NEPE推进剂/衬层粘接界面裂纹扩展规律,得出不同温度下裂纹产生位置均出现在推进剂和衬层连接处,且裂纹的扩展存在相互竞争关系;粘接性能较好时,粘接界面的好坏主要取决于推进剂/衬层界面附近推进剂性能。重点考察了会引起推进剂"脱湿"的HMX界面,利用纳米压痕仪及动态力学实验,得出当推进剂中含NPBA时,HMX周围存在一高模量层,且该高模量层的动态储能模量与温度呈反向关系。该高模量层的存在或消失会引起推进剂在宏观性能上发生变化,进而影响推进剂/衬层试件宏观力学性能。     

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。     

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。     

HTPB推进剂低温裂纹扩展特性试验研究

使用中间穿透型平板裂纹试件开展不同温度下Ⅰ-型裂纹扩展试验,研究了温度对HTPB推进剂裂纹扩展特性的影响。使用改进割线法计算了不同温度下推进剂的裂纹扩展速率,得到了其裂纹扩展阻力曲线,并对裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子进行了回归分析。研究结果表明,在低温下推进剂的裂纹扩展速率比常温时要大,温度越低,裂纹开始扩展的时间越短。不同温度下推进剂的裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子都满足幂函数关系。     

考虑颗粒形状的复合固体推进剂细观损伤分析

HTPB复合固体推进剂作为一种多颗粒填充的含能材料,其损伤过程复杂。为更直观地分析其受损过程,从细观角度出发,通过分子动力学方法建立圆形颗粒填充模型与多边形颗粒填充模型。在颗粒/基体界面嵌入了零厚度的内聚力单元,分别采用双线性内聚力模型与指数型内聚力模型的分离位移关系对其进行数值仿真,并通过了Hooke-Jeeves反演方法得到了内聚力模型参数。通过对5组加载速率下不同模型的试验结果与仿真结果对比,发现多边形颗粒模型更符合推进剂的细观结构;指数型内聚力模型更适合粘弹性材料的损伤;载荷速率的提高,使得材料的模量下降率升高。     

HTPB推进剂粘聚断裂研究

为了预测推进剂药柱中裂纹的起裂和扩展过程,建立了HTPB推进剂的粘聚区本构模型和数值仿真方法。粘聚区本构模型参数分别使用单边裂纹拉伸实验、单轴拉伸实验和数值仿真的方法获取。在有限元分析软件ABAQUS基础上开发出粘结单元,建立了模拟复合型裂纹扩展的嵌入粘结单元方法。进行了复合裂纹试样拉伸实验,获得了裂纹扩展路径和载荷时间曲线,同时用数值仿真方法对结果进行了预测。通过仿真和实验结果对比发现,所建立的粘聚区模型可完整地模拟出HTPB推进剂的失效过程;嵌入粘结单元的方法可准确地预测复合型裂纹的扩展路径。     

薄界面3DC/SiC复合材料的热震损伤机制

为了研究薄界面3D C/SiC复合材料的热震行为,利用高频加热器在氩气保护环境中进行了700～1200℃的热震试验,然后基于热震试验后复合材料微结构变化和剩余强度变化,结合热应力的计算,确定了薄界面3D C/SiC复合材料的热震损伤机制.研究发现,在700～1200 ℃之间热震时,薄界面3D C/SiC复合材料会发生基体开裂和界面脱粘.基体开裂与裂纹扩展导致复合材料强度降低,界面脱粘导致复合材料强度提高.薄界面3D C/SiC复合材料的基体裂纹在热震50次左右达到饱和,裂纹饱和前,强度逐渐降低;裂纹饱和后,强度逐渐提高.