双材料界面裂纹的弹塑性问题

研究Ⅰ型弹塑性界面裂纹问题，用傅里叶正，余弦变换及逐段定积分变换方法将边值问题的方程化为奇异积分方程组。解方程后计算了裂纹尖端塑性区尺寸及裂纹尖端张开位移COD，给出了应变能释放率算法，结果表明，裂纹尖端塑性区尺寸和COD均仅与两种材料的较小屈服极限有关，较小屈服极限越大，则裂纹尖端塑性区尺寸和COD越小。     

Experimental research on rate dependent constitutive relation of double-basepropellant under impact load

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103 s-1应变率下的应力-应变曲线.实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对教与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象.利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数.研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为.     

科技成果

<正>压缩玻璃碳的基础研究取得重要进展据科技部网站2017年7月28日报道,我国燕山大学的亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授、赵智胜教授等人与国内外科学家合作,以玻璃碳为初始原料,利用高压配合较温和的温度条件合成了一种新型碳的同素异形体。其保留了玻璃碳的一些结构特征,故被命名为压缩玻璃碳。压缩玻璃碳是一种新型碳材料,具备石墨和金刚石的成键特征,密度和导电性与石墨相近,硬度与宝石相     

双基推进剂高应变率型本构模型的实验研究

为研究双基推进剂在准静态和高应变率下的压缩力学行为,利用万能材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB),对双基推进剂材料进行了单轴压缩实验,得到材料在10-4～103s-1应变率下的应力-应变曲线。实验结果表明,双基推进剂是应变率敏感材料,屈服应力和初始弹性模量的对数与应变率的对数近似呈线性关系,且表现出韧脆转化现象。利用朱-王-唐非线性粘弹性本构关系,采用最小二乘法拟合了本构材料参数。研究表明,朱-王-唐本构模型能较好地描述双基推进剂在不同应变率条件下的力学行为。     

高低温对推进剂装药抗高过载能力影响研究

固体推进剂作为典型的粘弹性材料,其力学行为具有很强的温度依赖性,不同的发射初温下装药抗过载能力存在差异。基于50℃高温和-40℃低温条件下某改性双基(CMDB)推进剂宽应变率下的单轴压缩试验,从材料性能的率相关性角度确立了50℃和-40℃条件下CMDB推进剂的本构模型和强度判据。基于宽应变率的Prony本构模型,对某端燃柱型装药进行有限元分析,通过应力场和应变率场的耦合分析,分别确立了高低温条件下装药最大抗过载幅值。结果表明,该型装药在50℃高温条件下抗过载极限约为16 000g;在-40℃低温条件下的抗过载极限为14 000g。     

碳-碳复合材料断裂破坏的研究

本文研究碳-碳复合材料断裂功测试参数对断裂功值的影响,确定了测试碳-碳复合材料断裂功的有关参数,对三种不同碳-碳复合材料:三向正交细编、碳毡增强和半乱纤维模压碳-碳复合材料的断裂功进行了测定,并和石墨、玻璃碳、玻璃和融熔石英的断裂功进行了比较。研究了不同碳-碳复合材料的断裂破坏特征,并指出它们的断裂模式、裂纹传播方式和薄弱环节。     

复合材料界面裂纹尖端应变能释放率及模态混合度计算

为了准确预测复合材料层合板分层扩展及疲劳损伤,应用改进的虚裂纹闭合技术计算复合材料分层尖端处应变能释放率及模态混合度.首先介绍了改进的虚裂纹闭合技术,然后将其应用到重合网格法中,求得了分层尖端处总应变能释放率,并提取了各模态下的应变能释放率分量.最后利用某界面裂纹模型验证了该方法计算应变能释放率、模态混合度及提取应变能释放率分量的有效性.     

复合材料加筋层合板结构分层扩展分析

采用基于模式混合度的分层扩展准则,研究了复合材料加筋层合板结构分层扩展力学行为,分析了铺层方式对复合材料层合板结构界面力学性能的影响。首先,由计算所得分层前缘处的应变能释放率分量计算求得模式混合度;然后,将其代入材料断裂韧性函数及分层扩展量计算公式,进而预测复合材料加筋层合板结构的分层起始及其扩展行为。并通过对规则对称正交铺层、反对称铺层与用于V-22飞行器结构中的铺层方式下的层合板分层扩展行为进行比较,验证了该方法的有效性。     

粘弹性应变能释放率的虚拟网格计算方法

应变能释放率是粘弹性裂纹扩展判断的重要依据。为了解决低质量网格条件下的高精度粘弹性应变能释放率的数值计算问题,提出了裂纹尖端虚拟网格方法。在原始网格位移场基础上通过插值手段获得虚拟网格位移场、应力及应变场分布;基于虚拟网格信息并结合虚拟裂纹闭合方法,开展应变能释放率的数值计算。虚拟网格方法在应对裂纹扩展过程中任意复杂网格形式的同时,不再需要对原始裂纹尖端进行精细网格划分。两种典型断裂模式下的算例仿真结果表明,全积分形式的虚拟网格方法可以实现低泊松比条件下应变能释放率的高精度数值计算,相对误差均在5%以内。为了应对高泊松比下的断裂问题,设计了虚拟网格方法的缩减积分方案;缩减积分方案下的应变能释放率相对误差在1%左右,计算精度较全积分方案大幅提高。     

新型锆钛合金的动态拉伸力学性能与微观断裂机制试验研究

采用直接撞击式Hopkinson拉杆装置对新型锆钛合金材料在动态冲击载荷作用下的力学性能进行了试验研究,得到了典型动态拉伸真应力-真应变曲线。试验结果表明,在室温、应变率为800~4000s-1的情况下,材料的动态强度（包含屈服强度σ_0.2、抗拉强度σ_b）、失稳应变、伸长率以及应变能密度均随应变率的增大而增大。采用扫描电子显微镜（SEM）对试件断口进行分析,研究了合金材料在不同应变率状态下的失效断裂特征。结果发现,随应变率的增大,材料的断裂方式由准解理断裂变为韧性断裂。     

碳/环氧复合材料层板基体裂纹的检测与分析

本工作从实验和计算两方面测算碳/环氧复合村料在拉伸载荷下,[0/90]s、[±45]_(s),]11=11]碳布三种层板基体裂纹发生的形式和应变水平,以期能预测不同裂纹产生的载荷门槛值。结果表明:采用声发射技术跟踪配合显微观测碳/环氧层板初始损伤(基体裂纹、脱层等)的应力水平,并采用能量判据有限无计算裂纹扩展的临界应变能释放率,计算和实验结果比较,符合较好。     

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。     

裂纹间距及铺层角度对复合材料分层的影响

分层问题是复合材料层合板最常见问题,据统计约60%的层合板失效都与分层相关.通过基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的重合网格法(S-FEM),分析了不同铺层角度及裂纹间距对应变能释放率的影响.由分析结果可看出,应变能释放率随铺层角度增加而减小;在裂纹尖端距离相对较小时,距离对能量释放率的影响要远大于锗层角度变化的影响.     

基于线粘弹性的埋入式聚合物光纤传感器应变传递研究

以埋入固体火箭发动机纤维缠绕壳体的聚合物光纤传感器为研究对象,分析了传感器与复合材料基体之间界面应变传递机理。考虑到光纤传感器和中间粘贴层为高分子聚合物,建立了包含纤芯、包层、中间粘贴层和材料基体的多层界面线粘弹性应变传递模型,推导了应变传递率和平均应变传递率,同时分析了多个中间粘贴层的应变传递情况。结果表明,聚合物光纤传感器所测的应变低于复合材料基体的真实应变,准静态应变传递率低于瞬时应变传递率,随着时间的推移,应变传递率会下降。     

碳酚醛-铝板中二维X射线热击波数值模拟

文章利用平面应变正交各向异性材料率相关性的弹塑性本构模型和各向同性材料理想弹塑性本构模型,采用有限元方法编写程序,对X射线辐照碳酚醛-铝板时诱导的热击波进行数值模拟,讨论了热击波的传播规律。结果表明,在1 keV的 X射线辐照下,X射线穿透极浅,材料表面发生气化现象,应力峰值较大;在3 keV的X射线辐照下,X射线穿透较深,热击波呈现双波结构,材料的层裂更明显。     

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度。结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响。分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因。     

基于虚温定义的粘弹性有限元方法

基于NARAYANASWAMY提出的虚温定义,用虚温表示的温度变化产生的折算应变率替代Swanson模型中的应变率修正函数,获得了基于虚温定义的粘弹性材料的应力应变本构方程,并导出基于虚温定义的粘弹性非线性有限单元法计算公式。计算结果验证了此基于虚温定义的粘弹性分析方法的正确性。     

纤维增强复合材料静动态拉伸形变的碳纳米纸传感器监测

碳纳米纸可用作应变传感器监测纤维增强复合材料在静动态拉伸状况下的变形问题,这主要是通过测量与玻璃纤维增强复合材料一体固化成型的碳纳米纸传感器电阻变化来实现。试验结果表明,静态拉伸试验中,碳纳米纸传感器具有非常灵敏的应变传感性,在0~11 021με的应变范围内,其应变传感系数可达到22.1,在弹性极限点位置(应力为210MPa)电阻变化率发生突变;拉-拉疲劳试验中,当最大拉伸应力(215 MPa)大于弹性极限时,残余电阻变化率随疲劳周期增加明显加快;碳纳米纸传感器具有非常好的应变监测同步性和稳定性,完全可满足复合材料结构健康监测需要。     

考虑应变率和温度响应的少烟NEPE推进剂粘弹性本构模型

为研究少烟NEPE推进剂力学性能的应变率及温度相关性,使用万能材料试验机分别在不同应变率(4.17×10-4～4.17×10-1s-1)和温度(-40～50℃)下测试了推进剂的力学性能,建立了考虑应变率和温度响应的本构模型。结果表明,少烟NEPE推进剂具有应变率硬化特性,其拉伸应力与对数应变率呈线性关系;降低温度使推进剂的定伸应力和模量增大,升温则相反。结合少烟NEPE推进剂的线性对数应变率效应和温度变化特性,建立了粘弹性本构模型,该模型用多蠕变模式与非线性弹簧的组合来反映力学性能的率相关性,用率相关模型与温度函数的乘积形式来描述力学性能的温度相关性。模型预测与实验曲线对比表明,所建模型在实验温度、应变率、0.1～1.0应变范围内预测的准确性较好,其百分误差小于24%。     

浸渗时间对C/C-SiC复合材料显微结构和力学性能的影响

采用反应熔体浸渗法,经不同的浸渗时间渗Si制备了3种不同的C/C-SiC复合材料,测试了材料的增重率、体积密度、断裂韧性及三点弯曲强度,分析了材料的物相组成,并观察了材料的显微结构.结果表明,在得到的C/C-SiC复合材料中,主要存在纳米级和微米级2种尺度的SiC颗粒,随着浸渗时间延长,材料的体积密度和SiC含量随之增加,但抗弯强度随之降低.浸渗时间从0.5 h延长到5 h,材料的密度从2.16 g·cm-3增加到2.21 g·cm-3,SiC的质量百分含量从21.54%增加到31.72%,三点弯曲强度从133 MPa下降到86 MPa,3种复合材料均表现出一种类似于金属材料的非脆性断裂行为,断裂应变约为1.3%,断裂韧性为9～10 MPa·m1/2.