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.     

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。     

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。     

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。     

玻璃碳断裂性能的一些研究

本文简要介绍用“声共振法”测材料的杨氏模量,用“控制裂纹法”测材料的断裂韧性以及材料的极限应变能释放率的计算。对三种玻璃碳的室温-1023°K的杨氏模量和断裂韧性进行了测定,用电子扫描显微镜对玻璃碳的断裂、氧化和加工表面进行研究观察,分析了玻璃碳的极限应变能释放率并与多晶石墨及碳-碳复合材料进行比较。     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.     

正交各向异性单向复合材料裂纹尖端塑性区求解

基于复合材料力学基本理论,推导了Tsai-Hill准则、Hoffman准则和Tsai-Wu准则在平面问题下的一般表达式,在平面应力和应变状态下,得到复合材料中心裂纹板裂纹尖端塑性区的解析解.结果表明,基于Tsai-Wu准则得到的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围最小.平面应变状态下的裂尖塑性区范围小于平面应力状态下的裂尖塑性区范围.裂纹倾角β对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显影响,不同值得到的塑性区结果差别很大.不论是平面应力还是平面应变条件,裂纹尖端塑性区域都随着裂纹倾角的增大而增大.     

基于超声红外热成像技术的复合材料损伤检测

采用超声红外热成像技术,对某飞行器的复合材料壳体损伤进行了检测研究。采用数值分析模拟了超声激励下复合材料损伤处的摩擦生热及热传导过程,分析了裂纹处的温度分布及裂纹尺寸对检测结果的影响;利用超声波发生器对含分层损伤复合材料试件进行了试验,根据表面温度的分布实现了对损伤的定量识别。结果表明,超声红外热成像技术能够快速准确地检测到复合材料表面及浅表面的界面贴合型损伤(如分层,疲劳裂纹等);对损伤的定位准确、检测结果直观、不存在加热非均匀等问题;选择恰当的耦合材料能有效消除"驻波"现象的产生,并提高损伤检测效果。     

边界元法计算厚板表面裂纹问题的应力强度因子

建立了一种能反映裂纹尖端应力、应变奇异性的三维等参奇性边界元，应用边界元分析方法求得了具有半椭圆形和半圆形表面裂纹厚板的应力强度因子。结果表明，采用这种计算方法得到了满意的计算效果。     

基于三角测量和最优化技术的复合材料冲击定位位两步法

为提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性,提出了冲击定位两步法.首先运用三角测量技术计算出冲击位置所在的椭圆区域;然后在椭圆区域内,采用有限元法和模态叠加法计算出应变响应的理论模型,以理论估计应变与实际测量应变之间的误差建立优化模型,运用优化求逆技术精确识别出冲击位置.在复合材料层合板上的实验表明,该方法能快速、准确地判定出冲击位置.     

SRM壳体/绝热层脱粘的XFEM

将扩展有限元法(XFEM)用于研究固体火箭发动机(SRM)壳体/绝热层的脱粘。将层隙型和紧贴型脱粘等效为双材料界面裂纹,建立了XFEM的双材料界面裂纹分析模型,并给出了其中核心算法——应变矩阵的求解,通过相互作用积分求出应力强度因子和能量释放率。算例结果表明,XFEM的计算结果与理论值的差异较小,可用于有效求解脱粘问题。     

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。     

DSC对苯基苯酚改性酚醛树脂固化机理研究

采用DSC技术、Kissinger法对苯基苯酚改性酚醛树脂的固化过程进行了研究,得到放热峰顶活化能为169.3 kJ/mol,远大于普通酚醛树脂(约70 kJ/mol)。理论近似凝胶温度、固化温度及后处理温度分别为414.5 K、448.9 K和483.9K。酚醛树脂的固化通常由化学反应控制和扩散控制两阶段组成。通过Ozawa法得到活化能与转化率(E-a)的变化关系表明,2种树脂固化历程存在明显差异。普通酚醛树脂固化反应进行到10%(a=10%),粘度迅速增大,反应转向扩散控制;而苯基苯酚改性酚醛树脂固化反应时粘度变化小,直至a=70%,才较快增长。这将有利于小分子的逃逸和各基团充分反应。同时高活化能也表明,反应形成了高键能的化学键,有利于提高树脂的残炭率和烧蚀性能。     

固体推进剂复合型裂纹扩展数值计算

用粘弹性有限元法,分别以尖角形、椭圆形、圆形裂尖反映裂尖的变形,以最大周向应力准则和最大能量释放率准则作为裂纹扩展方向的判断依据,以J积分作为裂纹扩展的起始判据,计算了不同倾斜角裂纹的初始扩展方向.采用多个扩展步递增循环计算的方法,得到了不同倾斜角裂纹的扩展路径,并在扩展路径上设置粘结损伤单元,模拟了裂纹的动态扩展过程...     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析。分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究。使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了雨流计数,获得了用于裂纹扩展计算的应力循环谱块,研究了疲劳试验的应变循环峰值、幅值等时域分布特征;采用Newman闭合理论对长裂纹的NASGRO裂纹扩展速率曲线进行修正,给出了试验件材料的相关参数;最后,使用一种疲劳应力谱块平均施加方法进行了裂纹扩展寿命的快速计算。通过与试验结果对比,验证了计算方法有效、可靠。     

粘弹塑性界面的断裂特性

研究张开型粘弹塑性界面断裂。用傅立叶正、余弦变换及逐段定积分变换方法将边值问题的控制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：crack—tip opening displacement)，并给出了能量释放率算式。结果表明，裂纹尖端塑性区尺寸和COD均随两种材料的最小屈服极限的增加而减小；随时间的增大，COD先增长后衰减，最后渐近地逼近于定值。     

复合固体推进剂裂尖复合型变形场和约束场分析

用有限元法分析了不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂端的变形场和约束场（裂端形状改变能和应力三维度水平Rσ）分布。结果表明：复合型裂端变形为不对称的相反变形,符合钝化-锐化模型。Ⅰ-Ⅱ复合加载时裂纹尖端出现负约束区域（该区Rσ〈0）,当Ⅱ型分量增加,负约束区域增大,最大约束水平Rσmax降低,且绕裂纹尖端顺时针转动。Rσmax出现距裂纹尖端有一定距离处。Ⅰ-Ⅱ复合载荷下偏离原裂纹方向的裂纹在钝化区内某处危险点开始萌生,并与应力三维度最大位置处产生的空穴或孔洞聚合向前扩展。     

改进的绳系卫星系统距离速率控制律

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。     

静电雾化(电子喷射)技术理论基础及实验验证

文章介绍了静电雾化（电子喷射）的基本理论和雾化模式;并选用摩尔质量分别为200、300和400的聚乙烯乙二醇材料进行了静电雾化的实验验证。结果表明:在一定电压和容积流动率的情况下,PEG 300和PEG 400能够在稳定的锥体喷射模式下进行静电雾化,而且雾化喷射液滴尺寸与材料的黏度有关,随着材料黏度的增大而增大。文章最后指出,静电雾化技术在航天应用领域有很好的前景。