张量多项式破坏理论的应用

在固体推进剂火箭喷管产生的多向应力区域内,最大应力理论未能准确地描述层压复合部件的真实层间强度。利用适当的假设,简化了的张量多项式破坏准则,就可用来描述复合材料的层裂。这种简化便是Tsai—Wu表面与层间法向一剪切平面间的一个应力空间椭圆交面。此椭圆的破坏边界与垂直层应力,以及层间剪切应力轴的截距是由单向拉伸、压缩和剪切强度的特性试验来确定的。本文提出的层裂破坏准则是用试验和破坏理论加以验证的。     

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。     

圆形洞室双对称岩爆坑的断裂破坏理论分析

对圆形洞室双对称岩爆坑的断裂破坏进行了理论分析。岩爆坑应力计算采用复变函数理论,根据边界配点的方法计算岩爆坑结构的映射函数,两个应力复变函数计算采用通过对边界离散点的拟合,求解线性方程组的方法。计算出岩爆坑尖端的应力分布,分析了岩爆坑几何形状对应力集中的影响。采用Mohr-Coulomb准则作为岩爆坑断裂破坏准则,考虑岩爆坑尖端高的应力集中,在岩爆坑尖端引入一特征长度,对岩爆坑的临界承载力进行计算。     

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。     

固体发动机药柱粘结试件的三维应力分析

推进剂／衬层／绝热层矩形粘结试件已作为随发动机测试试件，用于监控药柱最薄弱的推进剂／衬层界面粘结质量。由于试件较厚，又材料具有粘弹特性，因此应对它进行三维粘弹性有限元分析。本文分析了推进剂／衬层界面附近的应力分布情况，并给出试件启裂点有效应力与拉伸平均应力之比的集中系数，供药柱结构完整性分析人员使用     

基于临界平面法的缺口件疲劳寿命预测方法

利用弹塑性有限元分析得到缺口件的应力、应变历史，分别计算任意材料平面上的描述拉伸和剪切疲劳破坏的两种损伤参量，取最大损伤参量所在的平面为临界平面，并利用最大损伤参量预测拉伸和剪切疲劳寿命，取小值为缺口件的疲劳寿命，进而得到一种预测缺口件疲劳寿命的预测方法。用此方法预测了SAE1045钢缺口件的疲劳寿命，并与实验值进行比较，误差分布在2—3倍因子范围之内。     

电传热试验中薄壁试验件的传热和破裂原因研究

本文对电传热试验中的薄壁试件传热和试件破裂原因两个问题进行了研究,得出的传热计算结果与试验测量值相近,此计算结果为传热试验测量仪表提供依据:试件破裂原因为材料在高温时强度降低,以及应力集中和热量集中。提出的试件改进方法,可供以后电传热试验参考.     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

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。     

环境温度引起固体推进剂发动机破坏的概率

固体推进剂发动机常常存放在环境没有防护的场所,因此,发动机会受到可变热应力的作用,材料会因老化和疲劳而降解。可以把温度变化模拟作窄频带随机过程;发动机内的热应力也表现出类似的特征。因为材料性质是按统计规律分布的,所以,热应力超过推进剂强度的概率是与发动机破坏的概率相同的。固体推进剂发动机可以简化作薄壁壳体中的长中空弹性圆柱体(平面应变)来加以分析。首先根据作为时间函数的应力—强度干涉型分析确定发动机日破坏概率,然后,将日破坏概率求和,得出使用期结束时的破坏概率。而后的分析中,除热因素以外,还将引入粘弹性、老化和载荷等因素。     

复合材料裙级间连接结构强度预测

针对复合材料裙级间螺栓-柱销连接结构试件,建立了三维有限元逐渐损伤模型。该模型可模拟试件损伤起始、发展及最终破坏的整个过程,并能较好预测试件破坏的模式和强度。该模型包括应力分析、失效判定准则和材料性能退化3个步骤,采用该模型对试件进行了损伤扩展分析和强度预测,计算结果与实验结果较吻合。     

隔舱式脉冲发动机金属膜片破裂仿真研究

为实现隔舱式脉冲发动机的多脉冲开启功能,设计了十字型、V字星型、米字型、圆弧星型、矩形星型和星圆复合型金属膜片式隔舱结构。根据平板脆性断裂模型的表面裂纹参数的计算公式,分析得到了金属膜片裂纹深度b与临界应力σ_c的关系及临界应力σ_c、临界尺寸a_c与临界应力强度因子K_(IC)的关系;通过三维有限元数值仿真的瞬态动力学分析,发现了六种金属膜片应力均集中在膜片中心及沟槽部位,膜片将首先从这些部位裂开;探索了一种预估金属膜片打开压强的方法,即通过模拟不同峰值压强下膜片的最大主应力,得到最大主应力-峰值压强曲线,则该曲线与临界断裂应力直线的交点对应的压强值,就是金属膜片的打开压强。由此得到了六种结构类型金属膜片的Ⅱ脉冲打开压强预估值,用该方法预估的膜片打开压强1.25 MPa与实际发动机打开压强1.4 MPa相近,表明该预测方法是可行的。     

艇载振动载荷下固体发动机装药有限元分析

潜艇在执行战备值班任务时,艇载固体火箭发动机要遭受复杂环境引起的随机振动载荷作用。在振动载荷长期作用下,会引起固体发动机疲劳损伤导致性能下降。以某固体火箭发动机为例,计算了艇载振动载荷作用下发动机装药的应力应变分布。通过分析计算结果,选取了容易出现问题的两条路径和一个截面,并根据Mises应力和最大剪切应力两种准则,确定了发动机药柱三个危险部位。计算得到了危险部位Mises应力和剪切应力随时间变化曲线。利用雨流计数法对危险点A的Mises应力和危险点C的剪应力循环进行了研究。研究表明,艇载固体发动机装药不可能由于瞬时受力超过极限临界值而发生破坏,振动载荷长期作用下会导致发动机装药累积损伤。危险部位的加载应力循环幅值大多数集中在小应力幅值对应区域。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

基于结构可靠性干涉理论的环境因子研究

提出了一种基于结构可靠性干涉理论的非寿命型环境因子计算方法,这种环境因子充分考虑了可靠性仿真信息和现场试验信息。应用强度-应力干涉理论,通过可靠性仿真计算,得到不同环境下结构可靠性分布参数,运用仿真结果计算环境因子。然后,针对二项型分布数据,结合折合后数据的相容性检验方法,应用Bayes可靠性评估方法阐述了产品可靠性计算过程。最后,以固体火箭发动机药柱结构可靠性作为实例,利用2个压强下的可靠性仿真信息和现场试验信息,计算得到了发动机药柱在高工作压力下的可靠度。这种评估方法可融合现场试验信息、不同应力环境下产品试验信息及仿真信息,有利于解决小子样条件下可靠性评估问题。     

推进剂/衬层脱粘J积分判据实验研究

利用J积分方法对固体火箭发动机推进剂 /衬层临界粘结断裂能进行了试验测定 ,分析了温度和拉伸速率对断裂能的影响 ,进而结合实验测定的材料的lgRaT曲线 ,作出了的材料J1c主曲线。计算结果表明 ,拉伸速率R对粘结断裂能的影响不如温度T对粘结断裂能的影响显著。     

固体推进剂药柱的内聚和粘结模拟试验试样

推进剂楔形和锥形粘结试样是在模拟/破坏累积程序中预计使用期时作为模拟试样的。推进剂楔形试样是推进剂内孔模型的模拟件,它用在估计推进剂内聚破坏开始和推进剂永久变形的研究中。锥形粘结试样是这样一种模拟件,由这种模拟件可以得到在非奇异点粘结破坏开始的载荷。讨论了这些试样的研制以及分析、试样的制备和试验方法。推进剂和粘结破坏得到了证实并与理论预示进行了比较。     

地下矩形洞室应力分布的复变函数解

为了解决矩形洞室稳定性问题,利用复变函数在处理复杂形状边界方面的优势,对矩形洞室问题进行应力分析。计算得出矩形洞室围岩应力集中系数,并对矩形洞室不同高长比条件下应力变化规律,远场不同应力比情况下洞室围岩的应力变化规律进行研究,研究结果表明:随着应力比的增加,与最大主应力方向垂直的顶板和底板的应力集中系数线性增加,与最小远场应力方向垂直的边墙应力集中系数线性减小;随着洞室几何高长比的增大,洞室顶板和底板的应力集中系数线性增加,边墙应力集中系数线性减小。研究对地下工程的稳定性分析及支护设计具有指导意义。     

冲压发动机管路断裂故障分析及结构改进

针对发动机管路系统断裂故障,开展故障机理分析。通过软件仿真和试验相结合的结构模态分析,找出模态振型与疲劳破坏的联系,对管路结构断裂故障原因进行初步定位和定性分析。利用ANSYS nCode DesignLife软件对结构开展随机振动疲劳寿命计算,总结了随机振动疲劳计算流程和设计方法。仿真预示的管路结构断裂位置与试验结果基本一致。提出多个结构改进方案,利用振动疲劳仿真计算对不同改进结构进行定量的疲劳寿命预测,优选出最佳方案。优化方案提高了管路结构的抗振性能,降低了RMS应力值和损伤,在主要破坏工况(x向振动)疲劳损伤寿命提高到3.2×107 s,其余振动方向疲劳损伤寿命分别提高到202%(y向)和190%(z向)。通过试验考核验证改进措施有效。     

复合材料格栅结构的强度分析(英文)

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。对ANSYS软件进行了二次开发,分别采用层合板和层合梁单元模拟复合材料格栅结构的蒙皮和肋。根据复合材料格栅结构的几何特征及其载荷分布特征,采用周期对称有限元模型,分别以最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则和Chang刚度退化准则对轴压载荷作用下的复合材料格栅结构破坏过程进行了强度预测,计算结果表明采用蔡-吴准则预测并结合Chang刚度退化准则的计算结果与试验结果的一致性较好。